EP4117810A1 - Reaktor und verfahren zur durchführung einer chemischen reaktion - Google Patents

Reaktor und verfahren zur durchführung einer chemischen reaktion

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EP4117810A1
EP4117810A1 EP21710017.1A EP21710017A EP4117810A1 EP 4117810 A1 EP4117810 A1 EP 4117810A1 EP 21710017 A EP21710017 A EP 21710017A EP 4117810 A1 EP4117810 A1 EP 4117810A1
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EP
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reactor
pipe sections
area
wall
sections
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EP21710017.1A
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EP4117810C0 (de
EP4117810B1 (de
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Mathieu Zellhuber
Martin Hofstätter
Heinz Posselt
Christian Lang
Robert Stegemann
Anton Wellenhofer
Volker Jeromin
Peter Reiser
Georg Kiese
Christian Ziegler
Andrey Shustov
Eric Jenne
Kiara Aenne Kochendörfer
Heinrich Laib
Heinz-Jürgen Kühn
Reiner JACOB
Clara DELHOMME-NEUDECKER
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BASF SE
Linde GmbH
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BASF SE
Linde GmbH
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    • C01B2203/085—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by electric heating

Definitions

  • the invention relates to a reactor and a method for carrying out a chemical reaction according to the preambles of the independent claims.
  • reactors are used in which one or more reactants are passed through heated reaction tubes and converted there catalytically or non-catalytically.
  • the heating is used in particular to overcome the activation energy required for the chemical reaction that is taking place.
  • the overall reaction can be endothermic or, after the activation energy has been overcome, exothermic.
  • the present invention particularly relates to highly endothermic reactions.
  • steam cracking steam cracking
  • various reforming processes in particular steam reforming, dry reforming (carbon dioxide reforming), mixed reforming processes, processes for the dehydrogenation of alkanes and the like.
  • steam cracking the reaction tubes are guided through the reactor in the form of coils, which have at least one reverse bend in the reactor, whereas in steam reforming tubes that run through the reactor without a reverse bend are typically used.
  • the reaction tubes of corresponding reactors are conventionally heated by using burners.
  • the reaction tubes are guided through a combustion chamber in which the burners are also arranged.
  • the aforementioned DE 10 2015004 121 A1 proposes electrical heating of a reactor for steam reforming in addition to firing.
  • one or more voltage sources are used that provide or provide a three-phase alternating voltage on three outer conductors.
  • Each outer conductor is connected to a reaction tube.
  • a star connection is formed in which a star point is implemented by a collector, into which the pipelines open and to which the reaction tubes are conductively connected. In this way, the collector ideally remains potential-free.
  • the collector is arranged below and outside the combustion chamber in relation to the vertical and preferably extends transversely to the reactor tubes or along the horizontal.
  • WO 2015/197181 A1 likewise discloses a reactor, the reaction tubes of which are arranged in a star-point circuit.
  • DE 23 62 628 A1 discloses a tubular furnace for the thermal treatment of liquid or gaseous media in metal pipes that can be heated by means of resistance heating, the pipes to be heated by means of resistance heating being conductively connected to power supply lines via electrical connections at the ends of the sections to be heated .
  • US 2014/0238523 A1 relates to a device for heating a pipeline system for a molten salt, comprising at least two pipelines, along each of which an electrical resistance heating element extends, with a potential close to earth potential being set at each electrical resistance heating element at at least one end and the electrical Resistance heating element away from it is connected to a connection of a direct current source or in each case one phase of an n-phase alternating current source.
  • the power supply has proven to be challenging in such electrically heated reactors due to the high current flows and temperatures.
  • the object of the invention is therefore to improve corresponding electrically heated reactors for carrying out chemical reactions.
  • the present invention proposes a reactor and a method for carrying out a chemical reaction according to the preambles of the independent claims. Refinements are the subject matter of the dependent claims and the description below.
  • furnace In the mostly partially electrified furnace concept (the term "furnace” is usually understood to denote a corresponding reactor or at least its thermally insulated reaction space) on which the present invention is based, at least one of the reaction tubes or corresponding tube sections thereof (hereinafter also referred to as “tubes” for short) itself is used as an electrical resistor to generate heat.
  • This strategy has the advantage of a higher degree of efficiency compared to indirect heating by external electrical heating elements as well as a higher achievable heat flux density.
  • the possibility is included to provide part of the total heating power used in the furnace by increasing the price of chemical energy sources.
  • the current is fed into the directly heated reaction tubes via M separately connected phases.
  • the current-conducting reaction tubes, which are connected to the M phases, are advantageously also electrically connected at a star point.
  • the number of phases M is in particular 3, corresponding to the number of phases of conventional three-phase sources or three-phase networks.
  • the present invention is not restricted to the use of three phases, but can also be used with a larger number of phases, for example a number of phases of 4, 5, 6, 7 or 8.
  • a phase offset amounts to 360 M in particular, i.e. 120 ° for a three-phase alternating current.
  • the present invention relates to a reactor for carrying out a chemical reaction which has a reactor vessel (ie a thermally insulated or at least partially insulated area) and one or more reaction tubes, a number of tube sections of the one or more reaction tubes in each case between a first area and a second area within the reactor vessel and through an intermediate area between the first and the second area, and wherein the pipe sections in the first area for electrical heating of the pipe sections each electrically with one or more power connections, in the case of one Direct current arrangement with one or more direct current connections and in the case of a single or multi-phase alternating current arrangement with the phase connection or the phase connections ("outer conductors") of the alternating current source or can be connected, as detailed below explained.
  • a reactor vessel ie a thermally insulated or at least partially insulated area
  • one or more reaction tubes ie a thermally insulated or at least partially insulated area
  • the pipe sections in the first area for electrical heating of the pipe sections each electrically with one or more power connections, in the case of one
  • the first area can in particular lie at a first terminal end of the pipe sections just formed and the second area at a second terminal end which is opposite to the first terminal end.
  • the first area can be in an upper area and the second area in a lower area of the reactor, or vice versa.
  • the first area and the second area are in particular at opposite ends of the reactor vessel or its interior, the interior of the reactor vessel between the first and the second area corresponding in particular to the intermediate area.
  • the first area can, for example, represent or include the terminal 5%, 10% or 20% of the interior space at one end of the reactor vessel, while the second area can represent the terminal 5%, 10% or 20% at the other, opposite end of the interior space of the reactor vessel.
  • the first area is arranged at the bottom, in particular when the reactor is in operation, the second area at the top.
  • an alternating voltage is provided via the phase connections in a multiphase alternating current arrangement and the alternating voltages of the phase connections are phase-shifted in the manner explained above.
  • a supply network or a suitable generator and / or transformer can serve as a multiphase alternating current source.
  • the pipe sections form, in particular, a star connection in which they are electrically conductively coupled to one another at their respective end opposite the current feed, ie in the second region.
  • the pipe sections run particularly freely, i.e. without mechanical support, without electrical contact and / or without fluidic or purely mechanical cross-connections with one another through the reactor vessel.
  • they run in particular essentially or completely straight, with “essentially straight” being understood to mean that there is an angular deviation of less than 10 ° or 5 °.
  • the cracking reactions in steam cracking are strongly endothermic reactions.
  • high currents are therefore required, which are provided in the mentioned reactor concept by one or more transformers placed outside the reactor.
  • the electrical current must be conducted from the outside into the interior of the thermally insulated reactor and to the process-conducting areas with the lowest possible losses (low electrical resistance).
  • the endothermic reaction together with the very fast flowing process medium on the inside of the pipe leads to a very effective cooling of the Reactor tubes or a very high heat flow density on the inside of the tube. In this way, the desired direct heat transfer from the at least partially electrically heated pipe material to the process gas is achieved in the pipes carrying the process.
  • a particular problem concerns the above-mentioned low-loss supply of the high-voltage current to the process-carrying pipes. If electricity is to be fed into the tubes within the reactor, this supply must necessarily take place via lines that cannot be cooled by direct convective heat transfer to a cooler process gas, as will also be explained below. This must not lead to an impermissible temperature increase in the less efficiently cooled areas. In addition, a steep rise in temperature of up to 900 K (max. Temperature difference between environment and reactor) must be overcome within short distances (sometimes less than 1 meter) via this feed.
  • the reactor container When penetrating the thermally insulated wall of the reactor vessel, the current conductor has to overcome a quasi-adiabatic zone without inadmissibly high local temperatures occurring in these areas.
  • current feed arrangements are provided, to each of which a pipe section or a group of pipe sections is electrically connected.
  • the pipe sections are provided in such a number that in each case one or a group of several pipe sections can be connected to one of the power feed arrangements and vice versa.
  • the number of current feed arrangements depends on the number of phase connections of the polyphase alternating current source in the case of an alternating current arrangement or this number corresponds to the number of direct current connections. When using an alternating current arrangement, it can be equal to the number of phase connections or an integral multiple thereof. In the latter case, for example, two of the Power feed arrangements each be connected to one of the phase connections of the AC power source, etc.
  • the current feed arrangements each comprise one or more contact passages which adjoin or connect to at least one of the pipe sections in the first region and which run through the current feed arrangements.
  • the one or more contact passages in the current feed arrangements can, as will be described in more detail below, each run straight or in the form of a reverse curve through the current feed arrangements. They are then designed in particular as wall-reinforced elbows. Reaction tubes without return bends are, in particular, wall-reinforced sleeves.
  • the one or more contact passages in the power feed arrangements can, within the scope of the invention, either be in one or more components that are or are attached to the pipe sections and connected to the pipe sections in a high-temperature-resistant manner, or alternatively in the form of one or one each continuous portion of the reaction tubes be formed.
  • a configuration with as few components as possible proves to be advantageous, as will also be explained below.
  • the pipe sections that run between the first and the second area in the reactor can be welded to a prefabricated component in which one or more of the contact passages run or run, or a corresponding further component can be welded to the pipe sections that run between the first and the second area in the reactor, be cast.
  • continuous pipes which on the one hand are to form the pipe sections that run between the first and the second area in the reactor, and on the other hand the contact passages in the respective current feed arrangements, can be provided, and further components of the current feed arrangements can be connected or Casting or welding can be provided.
  • the current feed arrangements comprise one or more contact passages "which each adjoins at least one of the pipe sections in the first region or connect ", this means that the contact passages in the power feed arrangements with the respective pipe sections between the first and the second area form a continuous channel for the process fluid to be guided through the pipe sections.
  • a pipe interior of the respective pipe sections continues between the first and the second area in the corresponding contact passages, in particular without any significant tapering or widening, a "significant" tapering or widening denoting a tapering or widening by more than 10% of the cross-sectional area target.
  • the term "contact passages" is used to express that it is a matter of areas in which there is a conductive connection to a power connection via metallic components, even if in certain embodiments of the invention the "contact passages" are continuous extensions of the pipe sections acts in the first area.
  • high-temperature firmly materially connected is intended to denote a type of connection by means of which two or more metallic parts are materially connected to one another and the connection at 500 Q to 1.
  • 500 ⁇ , in particular 600 ⁇ to 1,200 ° C or 800 ° C to 1,000 ⁇ is permanent, d. H. does not come off at such temperatures in regular operation.
  • a high-temperature-resistant material connection can in particular be designed as a metal-to-metal connection, which is designed in such a way that no non-metallic material remains between the connected parts.
  • Such a connection can in particular be produced by welding, casting on or casting around. It can also be a connection in which no structural difference can be determined at the transition of the connected parts and in particular a connection in which no additional metal is used for the connection.
  • a wall of the contact passages of each power feed arrangement is connected to a power feed element which has at least one rod-shaped section which runs at a wall passage through a wall of the reactor vessel.
  • the "wall" of the reactor vessel can also be an intermediate wall to a separate space, in which the rod-shaped sections are contacted, and that in turn by means of a further wall or several Walls is limited.
  • the rod-shaped section is, for example, in contrast to strands or the like, in particular formed as a single piece (ie in particular not in the form of parallel or interwoven wires) from an electrically conductive material such as metal. It can be solid or at least partially tubular, ie designed as a hollow rod.
  • the rod-shaped section has a longitudinal extension perpendicular to the wall of the reactor vessel which is at least twice as large, in particular at least three, four or five times and, for example, up to ten times as large as a largest transverse extension parallel to the wall of the reactor vessel.
  • the rod-shaped section can, for example, have a round, oval or triangular or polygonal cross section or have any other shape.
  • the current feed elements of the current feed arrangements can each be attached directly to the wall of the contact passages with their rod-shaped sections or can merge into this through a one-piece production. However, one or more intermediate elements can also be provided, which then each form part of the current feed elements.
  • the current is introduced into the reaction tubes or their tube sections to be heated according to the invention via the rod-shaped section, which is preferably attached to the process-conducting tube in a direction perpendicular to the local process gas flow, i.e. in particular at the apex of a reverse bend or perpendicular to the pipe run in the case of non-bent tubes.
  • the rod-shaped section with a homogeneous material composition, there can be a globally decreasing free conductor cross-section from the outside towards the reaction zone. This applies to both the rod-shaped section and the transition area to the reaction tube or the contact passage, which preferably has an increased wall thickness compared to the reaction tube far away from the feed.
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention includes that for any two cross-sectional areas S1, S2 representing isosurfaces through the power feed element, over which the time-squared value (rms value) of the electrical potential Vrms, i is constant, and in different Distances to the AC voltage source, ie in particular a transformer, are arranged, the time-squared potential Vrms, 1 of the cross-sectional area S1 closer to the transformer is always higher than the time-squared potential averaged potential Vrms, 2 of the cross-sectional area S2 further away from the transformer, so that Vrms, 1> Vrms, 2 applies.
  • the terms “closer” and “further” relate to shorter or longer flow paths of the electric current from the power source to the respective cross-sectional area.
  • the use of rms values for the potentials relates to reactor operation with alternating current.
  • the entire current feed (ie the entire feed element with the contact passage) is also advantageously designed in such a way that for the explained two arbitrary cross-sectional areas S1 and S2 at different distances from the current source and with Vrms, 1> Vrms, 2 the quotient A2 / A1 of the area A2 the cross-sectional area S2 located further away from the current source and the area A1 of the cross-sectional area S1 located closer to the current source is up to 0.5, in particular up to 0.9, up to 1, up to 1, 1 or up to 2.
  • the quotient A2 / A1 of the area contents of any such area pair is up to 1.
  • the temperature difference T1- T2 the temperature T 1 of the cross-sectional area S1 lying closer to the power source and the temperature T2 of the cross-sectional area S2 further away from the power source at up to -100 K, in particular up to -10 K, up to -1 K, up to 0 K, up to 1 K, up to 10 K or up to 100 K.
  • the temperature difference T1-T2 of all such pairs of surfaces is less than 0 K.
  • this specification includes the condition that a maximum local temperature increase of -100 K, -10 K, -1 K, 0 K, 1 K, 10 K or 100 K compared to the maximum occurring material temperature in the adjacent Pipe section occurs.
  • the power feed element is advantageously designed as a solid rod from the direction of the power source to the pipe sections and leads to the contact passage that is closer to the pipe sections, which can in particular be designed as a thick-walled bend or jacket, up to the relatively thin-walled reactor tubes or the pipe sections to be heated .
  • the free conductor cross-section advantageously decreases predominantly continuously or monotonically. Since in the case of identical or similar materials provided in this embodiment, the electrical resistance only depends on the available conductor area, the specific amount of energy released also increases steadily in this way. This achieves the highest possible utilization of the supplied energy, since only the amount of heat absorbed by the process gas can effectively be used in the reaction tubes.
  • the exact course of the conductor cross-section is also adapted to the local temperature and heat transfer conditions.
  • the rod-shaped section of the current feed element advantageously has a larger cross-sectional area in the area of the wall passage than in at least one remaining area. Since, as mentioned below, the rod-shaped section is slidably guided in the wall passage, the area of the rod-shaped section "in the area of the wall passage" should be understood to mean at least one area that is in the wall passage at maximum thermal expansion of the pipe sections.
  • At least the rod-shaped section, the current feed element and the contact section are particularly preferably made from a one-piece component, e.g. in the form of a cast part.
  • suitable joining processes e.g. friction welding
  • suitable joining processes are advantageously used to ensure that the specified specifications regarding the conductor cross-section and the maximum local temperature increase are adhered to in the area of the joint.
  • the power feed elements each have a free line cross-section that is not less at any point between the respective wall passage of the power feed elements and a point on the wall of the one or more contact passages which is closest to the wall passage and is electrically contacted by the respective power feed elements than 10 square centimeters, advantageously at no point less than 30 square centimeters and in particular at no point less than 50 square centimeters.
  • a free line cross-section is intended to denote the portion of the cross-section of a line that is designed to conduct electricity.
  • a tubular line or a line provided with a groove or a cavity the inside of the pipe or the area of the groove or the cavity does not become a free line cross-section.
  • the cross-section corresponds to the line cross-section and the free line cross-section.
  • the rod-shaped sections of the power feed elements are each guided longitudinally movably in their wall passages through the wall of the reactor vessel. Freedom of movement ensured in this way is particularly advantageous for the mechanical behavior of the reaction tubes, which is mainly dominated by the thermal expansion of the tubes by several decimeters when the reactor is in operation. As a result of the freedom of movement, the bending load on the reaction tubes, which would occur with a rigid attachment, is reduced.
  • the reaction tubes can be attached to the reactor roof in the second area with a rigid star bridge, so that in this way a stable suspension is provided even with a corresponding longitudinal mobility of the rod-shaped sections of the power supply elements.
  • the rod-shaped sections of the power supply elements ensure safe lateral guidance of the reaction tubes due to their advantageous dimensioning with a sufficiently high line cross-section.
  • the electrical connection in the first area must be implemented in a high temperature range of, for example, approximately 900 ⁇ for steam cracking. This is possible through the measures proposed according to the invention through the choice of suitable materials and their adequate dimensioning.
  • the connection should simultaneously have a high electrical conductivity and a high mechanical stability and reliability at high temperatures. Failure of the electrical connection leads to asymmetrical potentials at the star point and, as a result, to the immediate safety-related shutdown of the system due to an undesired current flow of system parts.
  • the present invention provides advantages over the prior art by avoiding such situations.
  • the contacting of the pipe sections within the reactor vessel provided according to the invention as opposed to contacting that is theoretically also possible outside of the reactor vessel, for which the reaction tubes would have to be led out of the reactor vessel, has the advantage of a more clearly defined route of the electrical heat input, because in this case no electrically heated pipe sections have to be led from the warmer interior to the colder exterior.
  • the contacting according to the invention makes it possible to achieve spatially very homogeneous external thermal boundary conditions of the electrically heated pipe sections due to the pipe sections arranged completely within the reactor vessel. This results in process engineering advantages, for example an expected excessive local coke formation in heated and externally thermally insulated passages can be avoided.
  • connection elements such as busbars and connection strips.
  • the connecting strips and busbars can be made of a different material. Since the temperatures outside the reactor vessel are lower, these connection elements can in particular be designed to be flexible. Switching devices can in particular be installed on a primary side of the transformer system because a higher voltage and a lower current are present there.
  • the power supply elements, the contact passages and the pipe sections can be made of the same material or of materials whose electrical conductivity (in the sense of a material constant, as is customary in the specialist field) is not more than 50%, not more than 30%, not more than 10% differ from one another or are advantageously the same.
  • the components mentioned can also be made from steels of the same steel class. The use of the same or closely related materials can facilitate casting or welding.
  • the current feed elements, the contact passages and the pipe sections have, or are formed from, a heat-resistant chromium-nickel steel alloy with high resistance to oxidation or scaling and high resistance to carburization.
  • a heat-resistant chromium-nickel steel alloy with high resistance to oxidation or scaling and high resistance to carburization.
  • it can be an iron-containing material with 0.1 to 0.5% by weight of carbon, 20 to 50% by weight of chromium, 20 to 80% by weight of nickel, 0 to 2% by weight of niobium,
  • the connecting element and the pipe sections can be made from the same material or from materials whose electrical conductivities (in the sense of a material constant, as is customary in the specialist field) are not more than 50%, not more than 30%, not differ from one another by more than 10% or are advantageously the same.
  • the connecting element and the pipe sections can also be formed from steels of the same steel class. The use of the same or closely related materials can facilitate the one-piece design of the connecting element and the pipe sections, for example by casting on or welding.
  • all pipe sections within the reactor vessel can be electrically conductively connected to one another by means of a rigid connecting element ("star bridge") when heated by means of multiphase alternating current, or this connection can be made in groups by means of several rigid connecting elements.
  • a rigid connecting element star bridge
  • the electrically conductive connection is made, that is, when heating by means of multiphase alternating current, in such a way that an at least extensive potential equalization of the phases connected in the first area, as explained, results.
  • the one or more connecting elements couple or couple the connected pipe sections in particular in a non-fluid-collecting and non-fluid-distributing manner, in contrast to a collector which is known from the prior art and is arranged outside the reactor.
  • the potential equalization proposed in the embodiment of the invention within the reactor vessel has the advantage that there is almost complete freedom from potential or that the current is fed back significantly via a neutral conductor. The result is minimal power dissipation via the header connections to other parts of the process system and extensive protection against accidental contact.
  • there is the advantage of the spatially very homogeneous external thermal boundary conditions in contrast to the process-related advantages already explained above, in contrast to the process-related advantages already explained above, which is required for a potential equalization outside the reactor vessel.
  • reaction tubes and reactors as they are used for steam cracking.
  • the invention can, however, also be used in other types of reactors, as they are then addressed.
  • the reactor proposed according to the invention can be used to carry out all endothermic chemical reactions.
  • Reaction tubes as are typically used for steam cracking, typically have at least one reverse bend.
  • these can be so-called 2-pass coils. These have two pipe sections in the reactor vessel, which merge into one another via (precisely) a reverse bend and therefore basically have the shape of an (elongated) U.
  • the reactor can therefore be designed in such a way that the pipe sections each comprise two pipe sections of a plurality of reaction tubes, which are at least partially arranged next to one another in the reactor vessel, the two pipe sections of the plurality of reaction tubes merging into one another in the first area via a reverse bend .
  • the pipe sections in the second area is connected to a feed section and the other of the two pipe sections in the second area is connected to an extraction section.
  • the one or more contact passages in the current feed arrangements can in this case comprise or represent the return arcs. Since there are several reaction tubes with return bends, if the number is appropriate, several return bends can also be provided in the respective power feed arrangements and in this way be connected to a power connection. In this way, the mechanical fastening can be improved and the number of components can be reduced. As an alternative, however, it is also possible, even when several reverse bends are energized via a power connection, to provide one power supply arrangement per reverse bend, for example to ensure individual longitudinal mobility of the power supply elements in the event of different thermal expansion.
  • reaction tubes which have two feed sections and one removal section.
  • reaction tubes there are two Feed sections each connected to a pipe section.
  • the removal section is also connected to a pipe section.
  • the pipe sections connected to the feed sections merge in a typically Y-shaped connecting area into the pipe section connected to the removal section. Both the pipe sections connected to the feed sections and the pipe section connected to the removal section can each have no, one or more return bends.
  • reaction tubes as illustrated in FIG. 7C can be used.
  • the pipe sections connected to the feed sections do not have a return bend, whereas the pipe section connected to the removal section has a return bend.
  • reaction tubes as illustrated in FIG. 7B.
  • the pipe sections connected to the feed sections each have a return bend and the pipe section connected to the removal section has two return bends.
  • reaction tubes as illustrated in FIG. 7A are also possible.
  • the pipe sections connected to the feed sections each have three return bends and the pipe section connected to the removal section has two return bends.
  • an embodiment can also be used which is suitable for use with so-called 4-passage coils. These have four essentially straight pipe sections. However, arrangements with a higher, even number of straight pipe sections are also possible.
  • a correspondingly designed reactor has, viewed more generally, one or more reaction tubes, each of which has or have an even number of four or more tube sections connected in series with one another via a number of return bends, the number of return bends being one less than the number of the pipe sections connected in series with one another via the return bends, and the return bends, starting with a first Reverse bends are arranged alternately in the first area and in the second area.
  • a “reverse bend” is understood here to mean, in particular, a pipe section or pipe component which comprises a part-circular or part-elliptical, in particular semicircular or semi-elliptical pipe bend.
  • the beginning and end have cut surfaces lying next to one another in one plane.
  • Each of the return bends provided it is located in the first area within the reactor vessel and is to be appropriately energized, can be designed in the form of a contact passage in a current feed arrangement according to the invention or represent part of such.
  • a corresponding reactor can in particular be designed as a reactor for steam cracking, in particular through the choice of corresponding temperature-resistant materials and the geometric configuration of the reaction tubes.
  • Reaction tubes typically do not have any return bends within the reactor vessel.
  • the pipe sections each comprise a pipe section of several reaction tubes, the pipe sections within the reactor vessel being fluidically unconnected and at least partially arranged next to one another and each connected to a feed section for fluid in the first area and a removal section for fluid in the second area are.
  • the feed and removal sections for fluid extend in particular in the same direction as the pipe sections or do not cause a fluid flow that is deflected by more than 15 ° with respect to the fluid flow in the pipe sections connected therewith.
  • the feed sections and removal sections are in particular also formed in one piece with them, i.e. in particular in the form of the same tube.
  • the reaction tubes can in particular also be equipped with a suitable catalyst for steam reforming.
  • the contact passages in a power supply arrangement represent straight pipe sections or channels
  • the current feed element can be attached to the reaction tubes in the second area, in particular in the manner of a sleeve.
  • the number of metal-to-metal connections can be reduced or even completely dispensed with by designing the power supply elements and the contact passages and optionally also the pipe sections from as few individual parts as possible.
  • the mechanical stability and the reliability can be increased.
  • the power feed elements and the contact passages can each be implemented as a single cast part, or, as mentioned, parts of the process-carrying pipelines can be encapsulated and / or parts of the process-carrying pipelines can be designed as an integral component of a corresponding cast piece .
  • Metal-to-metal connections or metal transitions which can be reduced within the scope of the present invention, could lead to a local change in electrical resistance and therefore to hot spots. Hot spots in turn lead to a reduction in the service life due to increased local temperatures or to mechanical stress peaks due to high local temperature gradients. This is avoided within the scope of the present invention.
  • a one-piece design of as many components as possible brings mechanical stability, reliability and a reduction in the number of individual components.
  • a high level of mechanical stability is desirable, since failure, as mentioned, can lead to safety-critical situations.
  • the described embodiment within the meaning of the present invention enables the principle of the reaction tubes resistance-heated with multiphase alternating current in star connection to be implemented technically in the high temperature range, ie in particular at more than 500 ° C., more than 600 ° C., more than 700 ° C. or more than 800 ° .
  • the invention also relates to a method for carrying out a chemical reaction using a reactor which has a reactor vessel and one or more reaction tubes, a number of pipe sections of the one or more reaction tubes each running between a first area and a second area in the reactor container , and where the first areas for Heating the pipe sections are each electrically connected to one or more power connections of a power source.
  • a reactor which has power feed arrangements in the first area, to each of which one or a group of the pipe sections is electrically connected, the current feed arrangements each comprising one or more contact passages which each connect to at least one of the pipe sections in the first Area connects or connect, and wherein a wall of the contact passages is each connected to a current feed element which has at least one rod-shaped section, which in each case runs at a wall passage through a wall of the reactor vessel.
  • FIG. 1 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction according to an embodiment not according to the invention.
  • FIG. 2 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a reactor with a current feed arrangement according to an embodiment of the invention.
  • Figures 5A to 5C illustrate reaction tubes and corresponding arrangements for use in a reactor according to an embodiment of the invention.
  • Figures 6A and 6B illustrate reaction tubes and corresponding arrangements for use in a reactor in accordance with an embodiment of the invention.
  • FIGS. 7A to 7C illustrate further reaction tubes for use in a reactor according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows values of thermal and electrical parameters in a power feed arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 schematically illustrates a reactor with a current feed arrangement according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction according to an embodiment not according to the invention.
  • the reactor designated here by 300 is set up to carry out a chemical reaction.
  • it has an in particular thermally insulated reactor vessel 10 and a reaction tube 20, a number of tube sections of the reaction tube 20, which are designated here by 21 only in two cases, each between a first zone 11 'and a second zone 12' in the Reactor vessel 10 run.
  • the reaction tube 20, which will be explained in more detail below with reference to FIG. 2, is fastened with suitable suspensions 13 to a ceiling of the reactor vessel or to a support structure.
  • the reactor vessel can be in a lower area in particular have a not illustrated furnace. It goes without saying that a plurality of reaction tubes can be provided here and below.
  • FIG. 2 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction in accordance with an embodiment of the present invention, which is designated as a whole by 100.
  • the zones previously designated 11 'and 12' are designed here as areas 11 and 12, the pipe sections 21 for heating the pipe sections 21 in the first areas 11 being electrically connectable to the phase connections U, V, W) of a multiphase alternating current source 50 . Switches and the like and the specific type of connection are not illustrated.
  • the pipe sections 21 are electrically conductively connected to one another in the second regions 12 by means of a connecting element 30 which is integrally connected to the one or more reaction tubes 20 and is arranged within the reactor vessel 10.
  • a neutral conductor can also be connected to it.
  • a first group of reverse arcs 23 (bottom in the drawing) are arranged next to one another in the first area 11 and a second group of reverse arches 23 (top in the drawing) are arranged next to one another in the second area 12.
  • the return bends 23 of the second group are formed in the connecting element 30 and the pipe sections 21 extend from the connecting element 30 in the second area 12 to the first area 11.
  • connecting element 30 is optional within the scope of the present invention, although advantageous. Embodiments of the invention that are explained in the following, however, relate in particular to the design of the means for power supply in the first area 11. This takes place through the use of power supply elements 41, which are illustrated here in a greatly simplified manner and of which only one is designated.
  • FIG. 3 schematically illustrates a reactor for carrying out a chemical reaction in accordance with an embodiment of the present invention, which is designated as a whole by 200.
  • the pipe sections denoted here by 22 each comprise a pipe section 22 of a plurality of reaction tubes 20, the pipe sections 22 being fluidically unconnected next to one another in the reactor vessel 10 and each being connected to feed sections 24 and removal sections 25.
  • connecting element 30 is optional within the scope of the present invention, albeit advantageous.
  • power feed elements 41 are illustrated in a greatly simplified manner. These can have a sleeve-like area 49 which, in the first area 11, is placed around the reaction tubes 20 or the tube sections.
  • FIG. 4 shows a detail view of the first area 11 of a reactor 100, for example according to FIG.
  • the return bend 23 is formed here in a contact passage 42 with a reinforced wall which adjoins the two pipe sections 21 in the first region 11.
  • a wall of the contact passage 42, and thus of the return bend 23, is connected to the already mentioned power feed element, denoted as a whole by 41, which, as indicated here between dashed lines, has a rod-shaped section 43, which in each case at a wall passage 15 through a wall 14 of the reactor vessel 10 runs.
  • the wall passage 15 is exaggeratedly wide here shown.
  • the rod-shaped section is received in the wall passage 15 such that it can move longitudinally and is lined, for example, with a suitable insulating material 16.
  • a bellows arrangement 44 can optionally, but by no means essential for the present invention, be provided, which ensures a gas-tight seal of the reactor vessel 10 from the environment despite the longitudinal mobility of the rod-shaped sections 43.
  • the rod-shaped section 43 is followed by a further rod-shaped section 45, the temperature of which decreases with increasing distance from the reactor vessel 10.
  • the further rod-shaped section merges into a power feed spigot 46 to which, for example, two busbars or strands for connecting the phases U, V, W or corresponding power connections of a direct current source or a single-phase alternating current source are attached.
  • the current can be fed in at one point per reaction tube 21 on the lower (or only) reverse bend.
  • M reaction tubes can be electrically coupled to one another, with a phase shift of 360 M and with a common connecting element 30.
  • a particularly large connecting element 30 can be used per coil package or for all reaction tubes 20 under consideration.
  • the use of two smaller-sized connecting elements 30 is also possible.
  • the first alternative just explained is illustrated in FIG. 5B, the second alternative just explained in FIG. 5C in a cross-sectional view through the pipe sections 21, a corresponding reaction tube 20 being shown in a view perpendicular to the views of FIGS. 5B and 5C in FIG. 5A. Reference is made to FIG. 1 for the designation of the corresponding elements.
  • connection element (s) 30 with the reversal bends 23 possibly arranged there on the one hand and the other reversal bends 23 on the other hand with the connections to the phases U, V, W via the power supply arrangements 40 (shown here in a highly simplified manner) in different levels, are arranged corresponding to the first and the second area 11, 12 of a reactor. It should again be emphasized that the presence and arrangement of the connecting elements 30 is purely optional or arbitrary within the scope of the present invention.
  • this concept can also be applied to coils or reaction tubes 20 with four passages or pipe sections 21 (so-called 4-pass coils), in this case with one, two or four star bridges or connecting elements 30.
  • a corresponding example is shown in FIG Figures 6A and 6B, four connecting elements 3 are shown in Figure 6B.
  • the return bends 23 are shown here with dashed lines (reverse bends in the second region 12 of the reactor) and not dashed (reverse bends in the first region 11).
  • the elements are only partially provided with reference symbols.
  • FIGS. 7A to 7C illustrate further reaction tubes for use in a reactor according to an embodiment of the invention.
  • the reaction tubes and tube sections are only partially provided here with reference numerals. Infeed and withdrawal sections result from the flow arrows shown.
  • the current feed arrangements 40 which in particular are present several times and can be designed in the manner explained above, are indicated in a greatly simplified manner by dashed lines.
  • FIG. 8 values of thermal and electrical parameters in a current feed arrangement 40 according to a particularly preferred embodiment of the present invention are illustrated, with a value of the time-squared potential (rms value) over the designated elements 46 on the abscissa (Power feeder), 46 and 45 (rod-shaped elements), 42 (contact passage) and 21 or 22 (pipe sections) and on the ordinate a value of the mean temperature of cross-sectional or iso-surfaces and the corresponding surface areas are indicated.
  • a graph 101 (solid line) illustrates the mean temperatures of the cross-sectional areas and a graph 102 (dashed line) the areas.
  • the mean temperatures 101 rise and show a jump in an intermediate zone between the contact passage 42 and the pipe sections 21 or 22, in particular due to a rapid decrease in cross section.
  • dashed or dash-dotted areas 101a and 102a a limited local temperature increase and a cross-sectional expansion can be present in the area of the wall openings 15.
  • FIG. 9 shows a detail view of the first region 11 of a reactor 200, the elements shown in each case already having been explained in connection with FIG.
  • the reaction tube 20 does not have a return bend here and the tube sections 21 are arranged along a common central axis.
  • a non-curved transition area is denoted by 23a.
  • a corresponding embodiment can be used, for example, instead of a sleeve in the reactor 200 according to FIG. 3.
  • the transition area 23a is also formed here in a contact passage 42 with a reinforced wall which adjoins the two pipe sections 21 in the first area 11. Reference is made to FIG. 4 for further explanations.
  • the wall passage 15 is also shown here exaggeratedly wide.
  • the rod-shaped section is received in the wall passage 15 in a longitudinally movable manner and is lined, for example, with a suitable insulating material 16.
  • the wall passage 15 can also have a different configuration, in particular in order to create further possibilities for movement. This also applies to the optional bellows arrangement 44.

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Abstract

Reaktor und Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor (100, 200) zur Durchführung einer chemischen Reaktion, der einen Reaktorbehälter (10) und ein oder mehrere Reaktionsrohre (20) aufweist, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken (21, 22) des einen oder der mehreren Reaktionsrohre (20) jeweils zwischen einem ersten Bereich (11) und einem zweiten Bereich (12) in dem Reaktorbehälter (10) verlaufen, und wobei die Rohrstrecken (21, 22) in dem ersten Bereich (11) zur elektrischen Beheizung der Rohrstrecken (21, 22) jeweils elektrisch mit einem oder mehreren Stromanschlüssen (U, V, W) einer Stromquelle (50) verbunden oder verbindbar sind. Es ist vorgesehen, dass in dem ersten Bereich (11) des Reaktors (100, 200) Stromeinspeiseanordnungen (40) bereitgestellt sind, an die jeweils eine oder jeweils eine Gruppe der Rohrstrecken (21, 22) elektrisch angebunden ist, und die jeweils eine oder mehrere Kontaktpassagen (42) umfassen, die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken (21, 22) in dem ersten Bereich (11) anschließt oder anschließen, wobei eine Wand der Kontaktpassagen (42) jeweils mit einem Stromeinspeiseelement (41) verbunden ist, das einen stabförmigen Abschnitt (43) aufweist, der an einem Wanddurchtritt (15) durch eine Wand (14) des Reaktorbehälters (10) verläuft. Ein entsprechendes Verfahren ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Reaktor und Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion
Die Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
In einer Reihe von Verfahren in der chemischen Industrie werden Reaktoren eingesetzt, in denen ein oder mehrere Reaktanden durch beheizte Reaktionsrohre geführt und dort katalytisch oder nichtkatalytisch umgesetzt werden. Die Beheizung dient dabei insbesondere dazu, die benötigte Aktivierungsenergie für die ablaufende chemische Reaktion zu überwinden. Die Reaktion kann insgesamt endotherm oder, nach Überwindung der Aktivierungsenergie, exotherm ablaufen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere stark endotherme Reaktionen.
Beispiele für solche Verfahren sind das Steamcracken (Dampfspalten), unterschiedliche Reformierungsverfahren, insbesondere die Dampfreformierung, die Trockenreformierung (Kohlendioxidreformierung), gemischte Reformierungsverfahren, Verfahren zur Dehydrierung von Alkanen und dergleichen. Beim Steamcracken werden die Reaktionsrohre dabei in Form von Rohrschlangen (engl. Coils), die im Reaktor zumindest einen Umkehrbogen aufweisen, durch den Reaktor geführt, wohingegen bei der Dampfreformierung typischerweise ohne Umkehrbogen durch den Reaktor verlaufende Rohre verwendet werden.
Die Erfindung eignet sich für alle derartigen Verfahren und Ausgestaltungen von Reaktionsohren. Rein illustrativ wird hier auf die Artikel "Ethylene", "Gas Production" und "Propene" in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, beispielsweise die Publikationen vom 15 April 2009, DOI: 10.1002/14356007.a10_045.pub2, vom 15. Dezember 2006, DOI: 10.1002/14356007.a12_169.pub2, und vom 15. Juni 2000, DOI:
10.1002/14356007. a22_211 , verwiesen. Die Reaktionsrohre von entsprechenden Reaktoren werden herkömmlicherweise durch Verwendung von Brennern beheizt. Die Reaktionsrohre werden dabei durch eine Brennkammer geführt, in der auch die Brenner angeordnet sind.
Wie beispielsweise in der DE 10 2015004 121 A1 (zugleich EP 3 075704 A1) beschrieben, steigt gegenwärtig jedoch beispielsweise die Nachfrage nach Synthesegas und Wasserstoff, die ohne oder mit reduzierten lokalen Kohlendioxidemissionen hergestellt werden. Diese Nachfrage kann aber durch Verfahren, in denen befeuerte Reaktoren eingesetzt werden, aufgrund der Verteuerung typischerweise fossiler Energieträger nicht bedient werden. Andere Verfahren scheiden beispielsweise aufgrund hoher Kosten aus. Entsprechendes gilt auch für die Bereitstellung von Olefinen und/oder anderer Kohlenwasserstoffe durch Steamcracken oder Dehydrierung von Alkanen. Auch in solchen Fällen besteht der Wunsch nach Verfahren, die zumindest vor Ort geringere Mengen an Kohlendioxid emittieren.
Vor diesem Hintergrund wird in der erwähnten DE 10 2015004 121 A1 eine elektrische Beheizung eines Reaktors zur Dampfreformierung zusätzlich zu einer Befeuerung vorgeschlagen. Hierbei werden eine oder mehrere Spannungsquellen verwendet, die eine Dreiphasenwechselspannung an drei Außenleitern bereitstellt oder bereitstellen. Jeder Außenleiter wird an einem Reaktionsrohr angeschlossen. Es wird eine Sternschaltung gebildet, bei der ein Sternpunkt durch einen Sammler realisiert wird, in den die Rohrleitungen einmünden, und mit dem die Reaktionsrohre leitend verbunden sind. Auf diese Weise bleibt der Sammler idealerweise potentialfrei. Der Sammler ist bezogen auf die Vertikale unterhalb sowie außerhalb der Brennkammer angeordnet und erstreckt sich bevorzugt quer zu den Reaktorrohren bzw. entlang der Horizontalen. Die WO 2015/197181 A1 offenbart ebenfalls einen Reaktor, dessen Reaktionsrohre in Sternpunktschaltung angeordnet sind.
Es ist grundsätzlich auch denkbar, eine elektrische Beheizung von Reaktoren mittels Gleichstrom oder einphasigem Wechselstrom vorzunehmen. In diesem Fall kann keine Sternschaltung mit einem potentialfreien Sternpunkt realisiert werden, die Stromeinspeisung lässt sich jedoch grundsätzlich in ähnlicher Weise realisieren. Die vorliegende Erfindung eignet sich für beide Varianten der elektrischen Beheizung. In der DE 23 62 628 A1 ist ein Rohrofen zur thermischen Behandlung flüssiger oder gasförmiger Medien in Metallrohren, die mittels Widerstandsheizung beheizbar sind, offenbart, wobei die mittels Widerstandsheizung zu beheizenden Rohre an den Enden der zu beheizenden Abschnitte mit Stromzuführungsleitungen über elektrische Anschlüsse leitend verbunden sind.
Die US 2014/0238523 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Beheizen eines Rohrleitungssystems für eine Salzschmelze, umfassend mindestens zwei Rohrleitungen, entlang derer sich jeweils ein elektrisches Widerstandsheizelement erstreckt, wobei an jedem elektrischen Widerstandsheizelement an mindestens einem Ende ein dem Erdpotential nahes Potential eingestellt ist und das elektrische Widerstandsheizelement entfernt hiervon mit einem Anschluss einer Gleichstromquelle oder jeweils einer Phase einer n-phasigen Wechselstromquelle verbunden ist.
Insbesondere die Stromeinspeisung hat sich bei derartigen elektrisch beheizten Reaktoren aufgrund der hohen Stromflüsse und Temperaturen als herausfordernd erwiesen. Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, entsprechende elektrisch beheizte Reaktoren zur Durchführung chemischer Reaktionen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung einen Reaktor und ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
In dem zumeist teilweise elektrifizierten Ofenkonzept (der Begriff "Ofen" wird üblicherweise zur Bezeichnung eines entsprechenden Reaktors bzw. zumindest von dessen thermisch isoliertem Reaktionsraum verstanden), das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, wird zumindest eines der Reaktionsrohre bzw. entsprechende Rohrstrecken hiervon (nachfolgend auch kurz als "Rohre" bezeichnet) selbst als elektrischer Widerstand benutzt, um Wärme zu erzeugen. Diese Strategie hat den Vorteil eines höheren Wirkungsgrads im Vergleich zu einer indirekten Erwärmung durch externe elektrische Heizkörper sowie einer höheren erreichbaren Wärmestromdichte. Im Rahmen der Erfindung wird die Möglichkeit eingeschlossen, einen Teil der gesamten im Ofen aufgewandten Heizleistung auch über Verteuerung chemischer Energieträger bereitzustellen.
Ist daher hier von einer elektrischen Beheizung die Rede, schließt dies das Vorhandensein einer zusätzlichen nichtelektrischen Beheizung nicht aus. Es kann insbesondere auch vorgesehen sein, die Beiträge der elektrischen und nichtelektrischen Beheizung über die Zeit zu variieren, beispielsweise in Abhängigkeit von Stromangebot und -preis bzw. Angebot und Preis nichtelektrischer Energieträger wie beispielsweise Erdgas.
Die Stromeinspeisung erfolgt im Falle der Beheizung mit mehrphasigem Wechselstrom in die direkt beheizten Reaktionsrohre über M separat angeschlossene Phasen. Die stromleitenden Reaktionsrohre, die mit den M Phasen verbunden sind, werden an einem Sternpunkt vorteilhafterweise ebenfalls elektrisch verbunden. Die Phasenzahl M beträgt insbesondere 3, entsprechend der Phasenzahl üblicher Drehstromquellen bzw. Drehstromnetze. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung aber nicht auf die Verwendung von drei Phasen beschränkt, sondern kann auch mit einer größeren Phasenzahl, beispielsweise einer Phasenzahl von 4, 5, 6, 7 oder 8, verwendet werden. Ein Phasenversatz beträgt dabei insbesondere 360 M , d.h. bei einem dreiphasigen Drehstrom 120°.
Durch die Sternschaltung am Sternpunkt wird in einer elektrischen Beheizung mit mehrphasigem Wechselstrom ein Potentialausgleich zwischen den Phasen erreicht, was eine elektrische Isolierung der angeschlossenen Rohrleitungen überflüssig macht. Dies stellt einen besonderen Vorteil eines derartigen Ofenkonzepts dar, da eine Unterbrechung der metallischen Reaktionsrohre zur Isolierung bestimmter Abschnitte insbesondere aufgrund der verwendeten hohen Temperaturen und des damit erforderlichen hohen Material- und Konstruktionsaufwands unerwünscht ist.
Die nachfolgend erläuterten, erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen eignen sich jedoch in gleicher Weise für die Verwendung von Gleichstrom und die vorliegende Erfindung kann sowohl in Wechselstrom- als auch in gleichstrombeheizten Reaktoren oder auch in entsprechenden Mischformen zum Einsatz kommen. Bei einer Gleichstromanordnung ist gegenüber einer Wechselstromanordnung lediglich die Art der Stromquelle und der der Stromeinspeisung entgegengesetzte Bereich der Reaktionsrohre oder entsprechender strombeaufschlagter Abschnitte unterschiedlich.
In letzterem wird eine elektrische Verbindung unterschiedlicher Rohrstrecken nur optional durchgeführt. Da in einer Gleichstromanordnung kein potentialfreier Sternpunkt vorliegt, sind geeignete Stromabfuhrelemente bereitzustellen, die den Stromfluss wieder sicher nach außen führen. Entsprechendes gilt grundsätzlich auch für ebenfalls verwendbaren einphasigen Wechselstrom.
Im Sprachgebrauch der Patentansprüche betrifft die vorliegende Erfindung dabei einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion, der einen Reaktorbehälter (d.h. einen thermisch isolierten oder zumindest teilweise isolierten Bereich) und ein oder mehrere Reaktionsrohre aufweist, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken des einen oder der mehreren Reaktionsrohre jeweils zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich innerhalb des Reaktorbehälters und durch einen Zwischenbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich verlaufen, und wobei die Rohrstrecken in dem ersten Bereich zur elektrischen Beheizung der Rohrstrecken jeweils elektrisch mit einem oder mehreren Stromanschlüssen, und zwar im Fall einer Gleichstromanordnung mit einem oder mehreren Gleichstromanschlüssen und im Fall einer ein- oder mehrphasigen Wechselstromanordnung mit dem Phasenanschluss bzw. den Phasenanschlüssen ("Außenleitern") der Wechselstromquelle verbunden oder verbindbar sind, wie im Einzelnen unten erläutert.
Der erste Bereich kann insbesondere an einem ersten terminalen Ende der gerade ausgebildeten Rohrstrecken liegen und der zweite Bereich an einem zweiten terminalen Ende, das dem ersten terminalen Ende entgegengesetzt ist. Insbesondere kann der erste Bereich in einem oberen und der zweite Bereich in einem unteren Bereich des Reaktors liegen oder umgekehrt. Der erste Bereich und der zweite Bereich liegen, mit anderen Worten, insbesondere an entgegengesetzten Enden des Reaktorbehälters bzw. dessen Innenraum, wobei der Innenraum des Reaktorbehälters zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich insbesondere dem Zwischenbereich entspricht. Der erste Bereich kann beispielsweise die terminalen 5%, 10% oder 20% des Innenraums an einem Ende des Reaktorbehälters darstellen oder umfassen, der zweite Bereich dagegen die terminalen 5%, 10% oder 20% am anderen, entgegengesetzten Ende des Innenraums des Reaktorbehälters. Der erste Bereich ist insbesondere beim Betrieb des Reaktors unten angeordnet, der zweite Bereich oben. Wie erwähnt, wird dabei in einer mehrphasigen Wechselstromanordnung über die Phasenanschlüsse jeweils eine Wechselspannung bereitgestellt und die Wechselspannungen der Phasenanschlüsse sind in der oben erläuterten Weise phasenverschoben. Als mehrphasige Wechselstromquelle kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise ein Versorgungsnetz oder ein geeigneter Generator und/oder Transformator dienen. Durch die Rohrstrecken wird in dieser Anordnung insbesondere eine Sternschaltung gebildet, in der diese an ihrem jeweils der Stromeinspeisung entgegengesetzten Ende, d.h. in dem zweiten Bereich, elektrisch leitend miteinander gekoppelt werden.
Im Fall einer Gleichstromanordnung werden über die Gleichstromanschlüsse dagegen gleiche oder unterschiedliche statische elektrische Potentiale eingespeist und es sind insbesondere an dem jeweils der Stromeinspeisung entgegengesetzten Ende Stromentnahme- bzw. Stromabfuhrelemente bereitgestellt. Die Begriffe "Einspeisung" und "Entnahme" können sich auf die physikalische oder technische Stromrichtung beziehen. Eine einphasige Wechselstromquelle wird vergleichbar verwendet.
In dem Zwischenbereich verlaufen die Rohrstrecken insbesondere frei, d.h. ohne eine mechanische Abstützung, ohne elektrische Kontaktierung und/oder ohne fluidische oder rein mechanische Querverbindungen miteinander durch den Reaktorbehälter. Sie verlaufen in dem Zwischenbereich insbesondere im Wesentlichen oder vollständig gerade, wobei unter "im Wesentlichen gerade" verstanden werden soll, dass eine Winkelabweichung von weniger als 10°oder 5°vorlie gt.
Insbesondere die Spaltreaktionen beim Steamcracken sind stark endotherme Reaktionen. Für die Bereitstellung der nötigen Energie für die Reaktion mittels direkter Beheizung (Ohmscher Widerstand) werden daher hohe Stromstärken benötigt, die in dem angesprochenen Reaktorkonzept von einem oder mehreren außerhalb des Reaktors platzierten Transformatoren bereitgestellt werden.
Der elektrische Strom muss mit möglichst geringen Verlusten (geringer elektrischer Widerstand) von außen in das Innere des thermisch isolierten Reaktors und zu den prozessführenden Bereichen geleitet werden. In letzteren führt die endotherme Reaktion zusammen mit dem sehr schnell strömenden Prozessmedium auf der Rohrinnenseite (hoher Wärmeübergang) zu einer sehr effektiven Kühlung der Reaktorrohre, bzw. einer sehr hohen Wärmestromdichte an der Rohrinnenseite. Damit wird in den prozessführenden Rohren die gewünschte direkte Wärmeübertragung vom zumindest teilweise elektrisch beheizten Rohrmaterial zum Prozessgas erreicht.
Eine besondere Problemstellung betrifft die oben erwähnte verlustarme Zuführung des Starkstroms zu den prozessführenden Rohren. Diese Zuführung muss zwangsläufig, sofern eine Stromeinspeisung in die Rohre innerhalb des Reaktors erfolgen soll, über Leitungen erfolgen, die nicht durch einen direkten konvektiven Wärmeübergang an ein kühleres Prozessgas gekühlt werden können, wie auch nachfolgend noch erläutert. Dabei darf es nicht zu einer unzulässigen Temperaturüberhöhung in den weniger effizient gekühlten Bereichen kommen. Darüber hinaus muss über diese Zuführung auch ein steiler Temperaturanstieg von bis zu 900 K (max. Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Reaktor) innerhalb kurzer Weglängen (teilweise weniger als 1 Meter) überwunden werden.
Zur Reduzierung der thermischen Verluste und damit zum Erreichen eines hohen Systemwirkungsgrads ist es zwingend erforderlich, die elektrisch direkt beheizten Reaktorrohe in einer isolierten Box (hier als Reaktorbehälter bezeichnet) zu platzieren. Beim Durchdringen der thermisch isolierten Wand des Reaktorbehälters muss der Stromleiter dabei eine quasi-adiabate Zone überwinden, ohne dass in diesen Bereichen unerlaubt hohe lokale Temperaturen auftreten.
Erfindungsgemäß sind zur Erreichung dieses Ziels in dem ersten Bereich des Reaktors, also im Bereich der Stromeinspeisung, Stromeinspeiseanordnungen vorgesehen, an die jeweils eine Rohrstrecke oder jeweils eine Gruppe der Rohrstrecken elektrisch angebunden ist. Die Rohrstrecken sind in einer solchen Anzahl vorgesehen, dass jeweils eine oder jeweils eine Gruppe von mehreren Rohrstrecken mit jeweils einer der Stromeinspeiseanordnungen verbindbar ist und umgekehrt. Die Anzahl der Stromeinspeiseanordnungen richtet sich dabei nach der Anzahl der Phasenanschlüsse der mehrphasigen Wechselstromquelle im Falle einer Wechselstromanordnung bzw. entspricht diese Anzahl der Anzahl der Gleichstromanschlüsse. Sie kann bei Verwendung einer Wechselstromanordnung gleich der Anzahl von Phasenanschlüssen sein oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon betragen. In letzterem Fall können jeweils beispielsweise zwei der Stromeinspeiseanordnungen mit jeweils einem der Phasenanschlüsse der Wechselstromquelle verbunden sein usw.
Die Stromeinspeiseanordnungen umfassen jeweils eine oder mehrere Kontaktpassagen, die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken in dem ersten Bereich anschließt oder anschließen, und die durch die Stromeinspeiseanordnungen verlaufen. Die eine oder die mehreren Kontaktpassagen in den Stromeinspeiseanordnungen kann oder können, wie unten noch genauer beschrieben, jeweils gerade oder in Form eines Umkehrbogens durch die Stromeinspeiseanordnungen verlaufen. Sie sind dann insbesondere als wandverstärkte Krümmer ausgebildet. Bei Reaktionsrohren ohne Umkehrbögen handelt es sich insbesondere um wandverstärkte Manschetten.
Die eine oder die mehreren Kontaktpassagen in den Stromeinspeiseanordnungen kann oder können im Rahmen der Erfindung entweder in einem oder mehreren Bauteilen, das oder die an die Rohrstrecken angefügt und mit den Rohrstrecken hochtemperaturfest stoffschlüssig verbunden ist oder sind, oder alternativ dazu in Form eines oder jeweils eines fortlaufenden Abschnitts der Reaktionsrohre ausgebildet sein. In sämtlichen Ausgestaltungen erweist sich typischerweise eine Ausbildung mit so wenigen Bauteilen wie möglich als vorteilhaft, wie auch unten noch erläutert.
In ersterem Fall können die Rohrstrecken, die zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in dem Reaktor verlaufen, an eine vorgefertigte Komponente, in dem eine oder mehrere der Kontaktpassagen verläuft oder verlaufen, angeschweißt sein, oder eine entsprechende weitere Komponente kann an die Rohrstrecken, die zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in dem Reaktor verlaufen, angegossen sein. Im letzteren Fall können fortlaufende Rohre, die einerseits die Rohrstrecken, die zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in dem Reaktor verlaufen, und anderseits die Kontaktpassagen in den jeweiligen Stromeinspeiseanordnungen bilden sollen, bereitgestellt werden, und weitere Komponenten der Stromeinspeiseanordnungen können durch ein An- oder Umgießen oder Anschweißen bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass, wenn zuvor und nachfolgend davon die Rede ist, dass die Stromeinspeiseanordnungen eine oder mehrere Kontaktpassagen umfassen, "die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken in dem ersten Bereich anschließt oder anschließen", dies bedeutet, dass die Kontaktpassagen in den Stromeinspeiseanordnungen mit den jeweiligen Rohrstrecken zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich einen durchgängigen Kanal für das durch die Rohrstrecken zu führende Prozessfluid bilden.
Insbesondere setzt sich dabei ein Rohrinnenraum der jeweiligen Rohrstrecken zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich in den entsprechenden Kontaktpassagen fort, insbesondere ohne eine nennenswerte Verjüngung oder Erweiterung, wobei eine "nennenswerte" Verjüngung oder Erweiterung eine Verjüngung oder Erweiterung um mehr als 10 % der Querschnittsfläche bezeichnen soll. Der Begriff "Kontaktpassagen" wird verwendet, um auszudrücken, dass es sich um Bereiche handelt, in denen über metallische Bauteile eine leitende Verbindung zu einem Stromanschluss besteht, auch wenn es sich in bestimmten Ausgestaltungen der Erfindung bei den "Kontaktpassagen" um kontinuierliche Fortsetzungen der Rohrstrecken in dem ersten Bereich handelt.
Der Begriff "hochtemperaturfest stoffschlüssig verbunden" soll eine Verbindungsart bezeichnen, mittels derer zwei oder mehr metallische Teile miteinander stoffschlüssig verbunden sind und die Verbindung bei 500 Q bis 1 . 500 Ό, insbesondere 600 Q bis 1 .200 °C oder 800 °C bis 1.000 Q dauerhaft ist, d. h. sich bei derartigen Temperaturen im regulären Betrieb nicht löst. Eine hochtemperaturfeste stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere als Metall-Metall-Verbindung ausgebildet sein, die derart ausgeführt wird, dass kein nichtmetallischer Werkstoff zwischen den verbundenen Teilen verbleibt. Eine solche Verbindung kann insbesondere durch ein Verschweißen, Angießen oder Umgießen hergestellt werden. Es kann sich auch um eine Verbindung handeln, bei der am Übergang der verbundenen Teile kein Gefügeunterschied festzustellen ist und insbesondere um eine Verbindung, bei der kein zusätzliches Metall zur Verbindung verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist eine Wand der Kontaktpassagen jeder Stromeinspeiseanordnung jeweils mit einem Stromeinspeiseelement verbunden, das zumindest einen stabförmigen Abschnitt aufweist, der jeweils an einem Wanddurchtritt durch eine Wand des Reaktorbehälters verläuft. Die "Wand" des Reaktorbehälters kann auch eine Zwischenwand zu einem separaten Raum sein, in der die stabförmigen Abschnitte kontaktiert werden, und der seinerseits mittels einer weiteren Wand oder mehrerer Wände begrenzt ist. Der stabförmige Abschnitt ist, beispielsweise im Gegensatz zu Litzen oder dergleichen, insbesondere einstöckig (d.h. insbesondere nicht in Form paralleler oder verflochtener Drähte) aus einem stromleitenden Material wie Metall ausgebildet. Er kann massiv oder zumindest teilweise rohrförmig, d.h. als Hohlstab, ausgebildet sein. Der stabförmige Abschnitt weist eine Längserstreckung senkrecht zu der Wand des Reaktorbehälters auf, die wenigstens doppelt so groß, insbesondere wenigstens dreifach, vierfach oder fünffach und beispielsweise bis zu zehnfach so groß ist wie eine größte Quererstreckung parallel zu der Wand des Reaktorbehälters. Der stabförmige Abschnitt kann im Querschnitt beispielsweise rund, oval oder drei- oder mehreckig ausgebildet sein oder eine beliebige andere Form aufweisen.
Die Stromeinspeiseelemente der Stromeinspeiseanordnungen können mit ihren stabförmigen Abschnitten jeweils direkt an die Wand der Kontaktpassagen angebracht sein oder durch eine einstückige Fertigung in diese übergehen. Es können aber auch ein oder mehrere Zwischenelemente vorgesehen sein, die dann jeweils einen Teil der Stromeinspeiseelemente bilden.
Die Stromeinleitung in die Reaktionsrohre bzw. deren zu beheizende Rohrstrecken erfolgt damit erfindungsgemäß über den stabförmigen Abschnitt, der bevorzugt in senkrechter Richtung zur lokalen Prozessgasströmung an das prozessführende Rohr angebracht wird, d.h. insbesondere am Scheitelpunkt eines Umkehrbogens oder lotrecht zum Rohrverlauf bei ungekrümmten Rohren. Insbesondere kann dabei in einem stabförmigen Abschnitt mit homogener Materialzusammensetzung ein global abnehmender freier Leiterquerschnitt von außen hin zur Reaktionszone vorliegen. Dies betrifft sowohl den stabförmigen Abschnitt als auch den Übergangsbereich zum Reaktionsrohr bzw. der Kontaktpassage, die bevorzugt eine vergrößerte Wandstärke im Vergleich zum Reaktionsrohr fernab der Einspeisung aufweist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst, dass für zwei beliebige, Isoflächen darstellende Querschnittsflächen S1 , S2 durch das Stromeinspeiseelement, über die der zeitlich quadratisch gemittelte Wert (rms-Wert) des elektrischen Potentials Vrms,i jeweils konstant ist, und die in unterschiedlichen Distanzen zu der Wechselspannungsquelle, d.h. insbesondere einem Transformator, angeordnet sind, das zeitlich quadratisch gemittelte Potential Vrms,1 der näher am Transformator liegenden Querschnittsfläche S1 stets höher als das zeitlich quadratisch gemittelte Potential Vrms,2 der weiter weg vom Transformator liegenden Querschnittsfläche S2 ist, so dass gilt Vrms,1 > Vrms,2. Die Begriffe "näher" und "ferner" beziehen sich dabei auf kürzere bzw. längere Fließstrecken des elektrischen Stroms von der Stromquelle zu der jeweiligen Querschnittsfläche. Die Verwendung von rms-Werten für die Potentiale bezieht sich auf den Reaktorbetrieb mit Wechselstrom.
Im Falle eines Gleichstrombetriebs gelten die beschriebenen Zusammenhänge für arithmetisch gemittelte Werte des elektrischen Potentials.
Die gesamte Stromeinspeisung (d.h. das gesamte Einspeiseelement mit der Kontaktpassage) ist ferner vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass für die erläuterten zwei beliebigen Querschnittsfläche S1 und S2 in unterschiedlichem Abstand zur Stromquelle und mit Vrms,1 > Vrms,2 der Quotient A2/A1 des Flächeninhalts A2 der weiter entfernt von der Stromquelle liegenden Querschnittsfläche S2 und des Flächeninhalts A1 der näher an der Stromquelle liegenden Querschnittsfläche S1 bei bis zu 0,5, insbesondere bei bis zu 0,9, bis zu 1 bis zu 1 ,1 oder bis zu 2 liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführung liegt der Quotient A2/A1 der Flächeninhalte aller beliebigen solcher Flächenpaare bei bis zu 1 .
Beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen kann es zu Abweichungen von dieser bevorzugten Ausführung kommen, sodass lokal auch geringe Querschnittszunahmen in Kauf genommen werden können. Für zwei Querschnittsflächen S1* und S2* mit globalen Extremwerten ihrer jeweiligen Flächeninhalte A1* = Amax und A2* = Amin gilt jedoch vorteilhafterweise stets die Beziehung Vrms,1* > Vrms,2*, d.h. dass die Fläche mit dem höchsten Querschnitt näher an der Stromquelle liegt als die Fläche mit dem kleinsten Querschnitt.
In der erläuterten Weise kann ein optimalerweise kontinuierlicher Anstieg der Materialtemperatur sichergestellt werden, wobei das Maximum besonders bevorzugt erst in der Reaktionszone erreicht wird. Als Vorgabe bzgl. der Temperaturverteilung kann analog zu den Flächenverteilungen gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung festgelegt werden, dass für die erläuterten zwei beliebigen Querschnittsfläche S1 und S2 in unterschiedlichem Abstand zur Stromquelle und mit Vrms,1 > Vrms,2 die Temperaturdifferenz T1-T2 der Temperatur T 1 der näher an Stromquelle liegenden Querschnittsfläche S1 und der T emperatur T2 der ferner von der Stromquelle liegenden Querschnittsfläche S2 bei bis zu -100 K, insbesondere bis zu -10 K, bis zu -1 K, bis zu 0 K, bis zu 1 K, bis zu 10 K oder bis zu 100 K liegt. In einer besonders bevorzugten Ausführung liegt die Temperaturdifferenz T1-T2 aller solcher Flächenpaare bei weniger als 0 K.
Diese Vorgabe beinhaltet unter anderem die Bedingung, dass im gesamten Bereich der Stromeinspeisung eine maximale lokale Temperaturüberhöhung von -100 K, - 10 K, -1 K, 0 K, 1 K, 10 K oder 100 K gegenüber der maximal auftretenden Materialtemperatur in der angrenzenden Rohrstrecke auftritt.
Die Temperaturdifferenz T1*-T2* der Temperaturen T1* und T2* der Querschnittsflächen S1* und S2* mit den globalen Extremwerten der Flächeninhalte A1*=Amax und A2*=Amin im Stromeinspeiseelement beträgt ferner vorteilhafterweise bis zu -500 K, bis zu -200 K, bis zu -100 K, bis zu 0 K oder bis zu 100 K, d.h. dass die Fläche mit dem höchsten Querschnitt entsprechend dieser Ausgestaltung der Erfindung näher am Transformator liegen muss und bevorzugt kühler oder höchstens geringfügig heißer ist als die Fläche mit dem kleinsten Querschnitt.
Das Stromeinspeiseelement ist vorteilhafterweise aus Richtung der Stromquelle zu den Rohrstrecken zunächst als Vollmaterialstab ausgebildet und führt an die näher an den Rohrstrecken liegende Kontaktpassage, die insbesondere als dickwandiger Krümmer oder Mantel ausgebildet sein kann, bis hin zu den relativ dünnwandigen Reaktorrohren bzw. den zu erhitzenden Rohrstrecken.
Der freie Leiterquerschnitt sinkt in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise überwiegend kontinuierlich bzw. monoton ab. Da bei in dieser Ausgestaltung vorgesehenen identischen oder gleichartigen Materialien der elektrische Widerstand nur von der verfügbaren Leiterfläche abhängt, steigt auch die spezifisch freigesetzte Energiemenge auf diese Weise stetig an. Damit wird eine möglichst hohe Ausnutzung der zugeführten Energie erreicht, da in den Reaktionsrohren lediglich die vom Prozessgas absorbierte Wärmemenge effektiv nutzbar ist.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der genaue Verlauf des Leiterquerschnitts darüber hinaus den lokalen Temperatur- und Wärmeübertragungsbedingungen angepasst. Beispielsweise werden im Bereich von quasi-adiabaten Wanddurchtritten durch die Wand des Reaktorbehälters (in denen keine durch die isolierende Reaktorwand keine nennenswerte Wärmeabstrahlung möglich ist) bevorzugt große Querschnitte verwendet, die die lokale Wärmedissipation in diesen Bereichen auf ein Minimum reduzieren, sodass die lokale Temperaturüberhöhung nach oben eingegrenzt werden kann. Mit anderen Worten weist der stabförmige Abschnitt des Stromeinspeiseelements im Bereich des Wanddurchtritts vorteilhafterweise eine größere Querschnittsfläche auf als in wenigstens einem übrigen Bereich. Da, wie nachfolgend erwähnt, der stabförmige Abschnitt verschiebbar in dem Wanddurchtritt geführt ist, soll unter dem Bereich des stabförmigen Abschnitts "im Bereich des Wanddurchtritts" zumindest ein solcher Bereich verstanden sein, der bei maximaler thermischer Ausdehnung der Rohrstrecken in dem Wanddurchtritt liegt.
Wie auch nachfolgend erläutert, sind zur Vermeidung von Kontaktwiderständen zumindest der stabförmige Abschnitt das Stromeinspeiseelements und der Kontaktabschnitt besonders bevorzugt aus einem einteiligen Bauteil, z.B. in Form eines Standgussteiles, gefertigt. Bei einer mehrteiligen Bauweise, die alternativ ebenfalls möglich ist, wird vorteilhafterweise mittel geeigneter Fügeverfahren (z.B. Reibschweißen) sichergestellt, dass auch im Bereich der Fügeverbindung die erläuterten Vorgaben bzgl. des Leiterquerschnitts und der max. lokalen Temperaturerhöhung eingehalten werden.
Mit besonderem Vorteil weisen die Stromeinspeiseelemente jeweils einen freien Leitungsquerschnitt auf, der zwischen dem jeweiligen Wanddurchtritt der Stromeinspeiseelemente und einem Punkt der Wand der einen oder der mehreren Kontaktpassagen, der dem Wanddurchtritt am nächsten liegt und von den jeweiligen Stromeinspeiseelementen elektrisch kontaktiert wird, an keiner Stelle weniger als 10 Quadratzentimeter, vorteilhafterweise an keiner Stelle weniger als 30 Quadratzentimeter und insbesondere an keiner Stelle weniger als 50 Quadratzentimeter beträgt. Durch die Verwendung entsprechend hoher Leitungsquerschnitte kann ein besonders guter Stromübergang ohne Widerstandsverluste sichergestellt werden.
Ein freier Leitungsquerschnitt soll hier den Anteil des Querschnitts einer Leitung bezeichnen, der stromleitend ausgebildet ist. Beispielsweise bei einer rohrförmigen Leitung oder bei einer mit einer Nut oder mit einem Hohlraum versehenen Leitung zählt der Rohrinnenraum bzw. der Bereich der Nut oder des Hohlraums nicht zum freien Leitungsquerschnitt. Bei einer massiven Leitung aus einem stromleitenden Material entspricht dagegen der Querschnitt dem Leitungsquerschnitt und dem freien Leitungsquerschnitt.
Vorteilhafterweise sind die stabförmigen Abschnitte der Stromeinspeiseelemente jeweils längsbeweglich in ihren Wanddurchtritten durch die Wand des Reaktorbehälters geführt. Eine auf diese Weise sichergestellte Bewegungsfreiheit ist besonders vorteilhaft für das mechanische Verhalten der Reaktionsrohre, das vor allem von der thermischen Dehnung der Rohre um mehrere Dezimeter im Betrieb des Reaktors dominiert wird. Durch die Bewegungsfreiheit wird die Biegebelastung auf die Reaktionsrohre, die bei einer starren Befestigung auftreten würde, reduziert werden.
Die Reaktionsrohre können andererseits, wie auch unten noch angesprochen, im zweiten Bereich mit einer starren Sternbrücke am Reaktordach befestigt werden, so dass auf diese Weise eine stabile Aufhängung auch bei einer entsprechenden Längsbeweglichkeit der stabförmigen Abschnitte der Stromeinspeiseelemente gegeben ist. Die stabförmigen Abschnitte der Stromeinspeiseelemente stellen aufgrund ihrer vorteilhaften Dimensionierung mit ausreichend hohem Leitungsquerschnitt eine sichere seitliche Führung der Reaktionsrohre sicher.
Da die in dem erfindungsgemäßen Reaktor durchgeführten Reaktionen hohe Temperaturen erfordern, muss die elektrische Verbindung in dem ersten Bereich in einem Hochtemperaturbereich von beispielsweise ca. 900 Q für das Steamcracken realisiert werden. Dies ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen durch die Wahl geeigneter Materialien und deren ausreichende Dimensionierung möglich. Die Verbindung soll gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen. Ein Versagen der elektrischen Verbindung führt zu asymmetrischen Potentialen am Sternpunkt und in der Folge zur sofortigen sicherheitsbedingten Abschaltung der Anlage aufgrund einer unerwünschten Stromführung von Anlagenteilen. Die vorliegende Erfindung führt durch die Vermeidung derartiger Situationen zu Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Kontaktierung der Rohrstrecken innerhalb des Reaktorbehälters gegenüber einer theoretisch ebenfalls möglichen Kontaktierung außerhalb des Reaktorbehälters, für die die Reaktionsrohre aus dem Reaktorbehälter geführt werden müssten, hat den Vorteil einer klarer definierten Strecke des elektrischen Wärmeeintrags, weil hierbei keine elektrisch beheizte Rohrabschnitte von dem wärmeren Innenraum zu dem kälteren Außenraum geführt werden müssen. Durch die erfindungsgemäße Kontaktierung sind aufgrund der vollständig innerhalb des Reaktorbehälters angeordneten Rohrstrecken räumlich sehr homogene äußere thermische Randbedingungen der elektrisch beheizten Rohrstrecken erzielbar. Hieraus ergeben sich prozesstechnische Vorteile, beispielsweise kann eine zu erwartende übermäßige lokale Koksbildung in beheizten und nach außen thermisch isolierten Durchtritten vermieden werden.
Außerhalb des Reaktorbehälters können die stabförmigen Abschnitte der Stromeinspeiseelemente beispielsweise elektrisch mittels Anschlusselementen wie Stromschienen und Anschlussbändern an ein Transformatorsystem angebunden sein. Die Anschlussbänder und Stromschienen können dabei aus einem anderen Material gefertigt sein. Diese Anschlusselemente können, da außerhalb des Reaktorbehälters geringere Temperaturen vorliegen, insbesondere flexibel ausgebildet sein. Schaltvorrichtungen können insbesondere auf einer Primärseite des Transformatorsystems installiert sein, weil dort eine höhere Spannung und ein niedrigerer Strom vorliegen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Stromeinspeiseelemente, die Kontaktpassagen und die Rohrstrecken aus dem gleichen Material oder aus Materialien gebildet sein, deren elektrische Leitfähigkeiten (im Sinne einer Materialkonstante, wie in der Fachwelt üblich) sich um nicht mehr als 50%, nicht mehr als 30%, nicht mehr als 10% voneinander unterscheiden oder vorteilhafterweise gleich sind. Beispielsweise können die genannten Komponenten auch aus Stählen derselben Stahlklasse ausgebildet sein. Die Verwendung gleicher oder nahe verwandter Materialien kann dabei das Angießen oder Verschweißen erleichtern.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Stromeinspeiseelemente, die Kontaktpassagen und die Rohrstrecken eine hitzebeständige Chrom-Nickel- Stahllegierung mit hoher Oxidations- bzw. Zunderbeständigkeit und hoher Aufkohlungsbeständigkeit auf, oder sind aus einer solchen gebildet. Beispielsweise kann es sich um ein eisenhaltiges Material mit 0,1 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 20 bis 50 Gew.-% Chrom, 20 bis 80 Gew.-% Nickel, 0 bis 2 Gew.-% Niob,
0 bis 3 Gew.-% Silicium, 0 bis 5 % Wolfram und 0 bis 1 Gew.-% anderer Komponenten handeln, wobei die Gehalte sich jeweils zu dem Nichteisenanteil ergänzen.
Beispielsweise können Materialien mit den Normbezeichnungen GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSiNb35-25, GX45NiCrSiNbTi35-25, GX35CrNiSiNb24-24, GX45NiCrSi35-25, GX43NiCrWSi35-25-4, GX10NiCrNb32-20, GX50CrNiSi30-30, G-NiCr28W, G- NiCrCoW, GX45NiCrSiNb45-35, GX13NiCrNb45-35, GX13NiCrNb37-25, oder GX55NiCrWZr33-30-04 gemäß DIN EN 10027, Teil 1 , "Werkstoffe", verwendet werden. Diese haben sich für den Hochtemperatureinsatz als besonders geeignet erwiesen.
In sämtlichen zuvor erläuterten Fällen können das Verbindungselement und die Rohrstrecken aus demselben Material oder aus Materialien ausgebildet sein, deren elektrische Leitfähigkeiten (im Sinne einer Materialkonstante, wie in der Fachwelt üblich) sich um nicht mehr als 50%, nicht mehr als 30%, nicht mehr als 10% voneinander unterscheiden oder vorteilhafterweise gleich sind. Beispielsweise können das Verbindungselement und die Rohrstrecken auch aus Stählen derselben Stahlklasse ausgebildet sein. Die Verwendung gleicher oder nahe verwandter Materialien kann dabei die einstückige Ausbildung des Verbindungselements und der Rohrstrecken, beispielsweise durch Angießen oder Verschweißen, erleichtern.
In dem zweiten Bereich können sämtliche Rohrstrecken innerhalb des Reaktorbehälters bei Beheizung mittels mehrphasigem Wechselstrom mittels eines starren Verbindungselements ("Sternbrücke") elektrisch leitend miteinander verbunden sein, oder diese Verbindung kann gruppenweise mittels mehrerer starrer Verbindungselemente erfolgen.
Die elektrisch leitende Verbindung wird dabei, d.h. bei Beheizung mittels mehrphasigem Wechselstrom, derart vorgenommen, dass sich ein zumindest weitgehender Potentialausgleich der im ersten Bereich wie erläutert angeschlossenen Phasen ergibt. Das eine oder die mehreren Verbindungselemente koppelt bzw. koppeln die verbundenen Rohrstrecken insbesondere nicht fluidsammelnd und nicht fluidverteilend, im Gegensatz zu einem aus dem Stand der Technik bekannten, außerhalb des Reaktors angeordneten Sammler. Der in der soeben erläuterten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagene Potentialausgleich innerhalb des Reaktorbehälters hat den Vorteil, einer nahezu vollständige Potentialfreiheit bzw. einer deutlich reduzierten Stromrückführung über einen Neutralleiter. Eine minimale Stromabfuhr über die Headeranschlüsse hin zu anderen Teilen der Prozessanlage und eine weitgehende Berührsicherheit ist die Folge. Auch in diesem Zusammenhang ergibt sich der Vorteil der räumlich sehr homogenen äußeren thermischen Randbedingungen im Gegensatz zu einer für einen Potentialausgleich außerhalb des Reaktorbehälters erforderlichen Führung der Reaktionsrohre durch die Wand des Reaktorbehälters die bereits oben erläuterten prozesstechnische Vorteile.
Durch eine entsprechende Realisierung einer Sternschaltung in Kombination mit der erläuterten Stromeinspeisung über längsgeführte Stromeinspeiseelemente wird insgesamt eine Konstruktion geschaffen, die eine effiziente Bestromung bei gleichzeitiger stabiler Befestigung, die den vor allem aus den hohen Wärmedehnungsraten resultierenden Spannungen standhält, ermöglicht.
Dies gilt auch für die erfindungsgemäß ebenfalls mögliche Beheizung mittels Gleichstrom oder einphasigem Wechselstrom, wobei in diesem Fall, wie erwähnt, kein Sternpunkt im Reaktor vorhanden ist. Gleichwohl kann an dem der Stromeinspeisung entgegengesetzten Ende auch hier eine starre Anordnung vorgesehen sein, da sich die Reaktionsrohre aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Stromeinspeiseelemente ohne die Erzeugung von Spannungen im Wesentlichen frei ausdehnen können. An dem der Stromeinspeisung entgegengesetzten Ende der Reaktionsrohre kann also eine starre Anordnung vorgesehen sein, ggf. können aber auch hier Elemente bereitgestellt sein, die den erfindungsgemäßen Stromeinspeiseelementen entsprechen. In jedem Fall kann jedoch auf eine bewegliche Anordnung verzichtet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst unter Bezugnahme auf Reaktionsrohre und Reaktoren beschrieben, wie sie zum Steamcracken zum Einsatz kommen. Wie danach erläutert, kann die Erfindung aber auch in anderen Reaktortypen zum Einsatz kommen, wie sie danach angesprochen werden. Generell kann, wie erwähnt, der erfindungsgemäß vorgeschlagene Reaktor zur Durchführung aller endothermen chemischen Reaktionen verwendet werden. Reaktionsrohre, wie sie typischerweise zum Steamcracken verwendet werden, weisen typischerweise wenigstens einen Umkehrbogen auf. Beispielsweise kann es sich hierbei um sogenannte 2-Passagen-Coils handeln. Diese weisen zwei Rohrstrecken im Reaktorbehälter auf, die über (genau) einen Umkehrbogen ineinander übergehen und daher grundsätzlich die Form eines (verlängerten) U aufweisen. Die in den Reaktorbehälter ein- und aus diesem austretenden Abschnitte, die insbesondere nahtlos oder ohne strömungstechnisch relevanten Übergang in die beheizten Rohrstrecken übergehen, werden hier (auch in Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Reaktionsrohre) als "Einspeiseabschnitt" und "Entnahmeabschnitt" bezeichnet. Es sind stets mehrere solcher Reaktionsrohre vorhanden.
Der Reaktor kann also in dieser Ausgestaltung derart ausgebildet sein, dass die Rohrstrecken jeweils zwei Rohrstrecken mehrerer Reaktionsrohre umfassen, die zumindest zum Teil nebeneinander in dem Reaktorbehälter angeordnet sind, wobei die jeweils zwei Rohrstrecken der mehreren Reaktionsrohre in dem ersten Bereich über jeweils einen Umkehrbogen ineinander übergehen. Insbesondere ist, wie erwähnt, eine der jeweils zwei Rohrstrecken in dem zweiten Bereich mit einem Einspeiseabschnitt und die anderen der jeweils zwei Rohrstrecken in dem zweiten Bereich mit einem Entnahmeabschnitt verbunden.
Die eine oder die mehreren Kontaktpassagen in den Stromeinspeiseanordnungen können in diesem Fall die Umkehrbögen umfassen oder darstellen. Da mehrere Reaktionsrohre mit Umkehrbögen vorhanden sind, können bei entsprechender Anzahl auch jeweils mehrere Umkehrbögen in den jeweiligen Stromeinspeiseanordnungen bereitgestellt sein und auf diese Weise an einen Stromanschluss angeschlossen sein. Auf diese Weise kann die mechanische Befestigung verbessert und die Bauteilzahl reduziert werden. Es ist alternativ dazu aber auch möglich, und zwar auch bei Bestromung mehrerer Umkehrbögen über einen Stromanschluss, jeweils eine Stromeinspeiseanordnung pro Umkehrbogen bereitzustellen, beispielsweise um eine individuelle Längsbeweglichkeit der Stromeinspeiseelemente bei ggf. unterschiedlicher thermischer Ausdehnung sicherzustellen.
Die soeben erläuterte Ausgestaltung der Erfindung kann auch auf Fälle übertragen werden, in denen Reaktionsrohre verwendet werden, die zwei Einspeiseabschnitte und einen Entnahmeabschnitt aufweisen. Bei solchen Reaktionsrohren sind die zwei Einspeiseabschnitte jeweils mit einem Rohrabschnitt verbunden. Der Entnahmeabschnitt ist ebenfalls mit einem Rohrabschnitt verbunden. Die mit den Einspeiseabschnitten verbundenen Rohrabschnitte gehen in einem typischerweise Y- förmigen Verbindungsbereich in den mit dem Entnahmeabschnitt verbundenen Rohrabschnitt über. Sowohl die mit den Einspeiseabschnitten verbundenen Rohrabschnitte als auch der mit dem Entnahmeabschnitt verbundene Rohrabschnitt können jeweils keinen, einen oder mehrere Umkehrbögen aufweisen.
Beispielsweise können Reaktionsrohre verwendet werden, wie sie in Figur 7C veranschaulicht sind. Bei diesen weisen die mit den Einspeiseabschnitten verbundenen Rohrabschnitte keinen Umkehrbogen auf, wohingegen der mit dem Entnahmeabschnitt verbundene Rohrabschnitt einen Umkehrbogen aufweist.
Es können jedoch auch Reaktionsrohre verwendet werden, wie sie in Figur 7B veranschaulicht sind. Bei diesen weisen die mit den Einspeiseabschnitten verbundenen Rohrabschnitte jeweils einen Umkehrbogen auf und der mit dem Entnahmeabschnitt verbundene Rohrabschnitt weist zwei Umkehrbögen auf.
Auch die Verwendung von Reaktionsrohren, wie sie in Figur 7A veranschaulicht sind ist möglich. Bei diesen weisen die mit den Einspeiseabschnitten verbundenen Rohrabschnitte jeweils drei Umkehrbögen auf und der mit dem Entnahmeabschnitt verbundene Rohrabschnitt weist zwei Umkehrbögen auf.
Neben der zuvor unter Bezugnahme auf 2-Passagen-Coils beschriebenen Ausgestaltung kann aber auch eine Ausgestaltung zum Einsatz kommen, die sich zur Verwendung mit sogenannten 4-Passagen-Coils eignet. Diese weisen vier im Wesentlichen gerade verlaufende Rohrstrecken auf. Auch Anordnungen mit einer höheren, geraden Anzahl an gerade verlaufenden Rohrstrecken sind jedoch möglich.
Ein entsprechend ausgebildeter Reaktor weist dabei allgemeiner betrachtet ein oder mehrere Reaktionsrohre auf, das oder die jeweils eine gerade Anzahl von vier oder mehr seriell miteinander über eine Anzahl von Umkehrbögen verbundenen Rohrstrecken aufweist oder aufweisen, wobei die Anzahl der Umkehrbögen um eins geringer ist als die Anzahl der seriell miteinander über die Umkehrbögen verbundenen Rohrstrecken, und wobei die Umkehrbögen, anfangend mit einem ersten Umkehrbogen in dem ersten Bereich, abwechselnd in dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet sind.
Unter einem "Umkehrbogen" wird hier insbesondere ein Rohrabschnitt oder Rohrbauteil verstanden, der oder das einen teilkreis- oder teilelliptischen, insbesondere halbkreis- oder halbelliptischen Rohrbogen umfasst. Beginn und Ende weisen insbesondere in einer Ebene nebeneinander liegende Schnittflächen auf.
Jeder der Umkehrbögen, sofern er in dem ersten Bereich innerhalb des Reaktorbehälters liegt und entsprechend bestromt werden soll, kann in Form einer Kontaktpassage in einer erfindungsgemäßen Stromeinspeiseanordnung ausgebildet sein oder einen Teil einer solchen darstellen.
Wie erwähnt, kann ein entsprechender Reaktor insbesondere als Reaktor zum Steamcracken ausgebildet sein, und zwar insbesondere durch die Wahl entsprechen temperaturfester Materialien und die geometrische Ausgestaltung der Reaktionsrohre.
Reaktionsrohre, wie sie typischerweise zur Dampfreformierung verwendet werden, weisen typischerweise keine Umkehrbögen innerhalb des Reaktorbehälters auf. In diesem Fall umfassen die Rohrstrecken aber jeweils eine Rohrstrecke von mehreren Reaktionsrohren, wobei die Rohrstrecken innerhalb des Reaktorbehälters fluidisch unverbunden und zumindest zum Teil nebeneinander angeordnet sind und jeweils mit einem Einspeiseabschnitt für Fluid in dem ersten Bereich und einem Entnahmeabschnitt für Fluid in dem zweiten Bereich verbunden sind. Die Einspeise- und Entnahmeabschnitte für Fluid erstrecken sich insbesondere in derselben Richtung wie die Rohrstrecken bzw. bewirken keine um mehr als 15°gegenüber der Fluidströmung in den damit verbundenen Rohrstrecken abgelenkte Fluidströmung. Die Einspeiseabschnitte und Entnahmeabschnitte sind insbesondere ebenfalls einstückig, d.h. insbesondere in Form desselben Rohrs, mit diesen ausgebildet. Die Reaktionsrohre können zur Dampfreformierung insbesondere auch mit einem geeigneten Katalysator ausgestattet werden.
In dieser Ausgestaltung stellen die Kontaktpassagen in einer erfindungsgemäßen Stromeinspeiseanordnung gerade Rohrabschnitte bzw. Kanäle dar. Das Stromeinspeiseelement kann dabei in dem zweiten Bereich insbesondere manschettenartig an die Reaktionsrohre angefügt sein.
In allen Fällen kann durch die Ausbildung der Stromeinspeiseelemente und der Kontaktpassagen sowie optional auch der Rohrstrecken aus so wenigen Einzelteilen wie möglich die Anzahl der Metall-Metall-Verbindungen (z.B. Schweiß- oder Lötverbindungen) reduziert oder sogar komplett auf diese verzichtet werden. Dadurch können die mechanische Stabilität sowie die Zuverlässigkeit erhöht werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung können die Stromeinspeiseelemente und die Kontaktpassagen jeweils als ein einziges Gussteil umgesetzt werden, oder es können, wie erwähnt, Teile der prozessführenden Rohrleitungen umgossen werden und/oder Teile der prozessführenden können Rohrleitungen können als ein integraler Bestandteil eines entsprechenden Gussstücks ausgebildet sein.
Metall-Metall-Verbindungen oder Metallübergänge, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung reduziert werden können, könnten zu einer lokalen elektrischen Widerstandsänderung, und deswegen zu Hot Spots führen. Hot Spots wiederum führen zu einer Reduzierung der Lebenszeit durch erhöhte lokale Temperaturen oder zu mechanischen Spannungsspitzen durch hohe lokale Temperaturgradienten. Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung vermieden.
Eine einteilige Ausbildung so vieler Komponenten wie möglich bringt mechanische Stabilität, Zuverlässigkeit und eine Reduktion der Einzelbauteile. Eine hohe mechanische Stabilität ist erstrebenswert, da ein Versagen wie erwähnt zu sicherheitskritischen Situationen führen kann. Durch die beschriebene Ausführung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann das Prinzip der mit mehrphasigem Wechselstrom widerstandbeheizten Reaktionsrohre in Sternschaltung technisch im Hochtemperaturbereich, d.h. insbesondere bei mehr als 500 O, mehr als 600 O, mehr als 700 °C oder mehr als 800 O, realisiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion unter Verwendung eines Reaktors, der einen Reaktorbehälter und ein oder mehrere Reaktionsrohre aufweist, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken des einen oder der mehreren Reaktionsrohre jeweils zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich in dem Reaktorbehälter verlaufen, und wobei die ersten Bereiche zur Beheizung der Rohrstrecken jeweils elektrisch mit einem oder mehreren Stromanschlüssen einer Stromquelle verbunden werden.
Erfindungsgemäß wird dabei ein Reaktor verwendet, der in dem ersten Bereich Stromeinspeiseanordnungen aufweist, an die jeweils eine oder jeweils eine Gruppe der Rohrstrecken elektrisch angebunden ist, wobei die Stromeinspeiseanordnungen jeweils eine oder mehrere Kontaktpassagen umfassen, die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken in dem ersten Bereich anschließt oder anschließen, und wobei eine Wand der Kontaktpassagen jeweils mit einem Stromeinspeiseelement verbunden ist, das zumindest einen stabförmigen Abschnitt aufweist, der jeweils an einem Wanddurchtritt durch eine Wand des Reaktorbehälters verläuft.
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen eines entsprechenden Verfahrens, bei dem vorteilhafterweise ein Reaktor gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung verwendet wird, sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme und im Vergleich zum Stand der Technik veranschaulichen.
Figurenbeschreibung
Figur 1 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
Figur 2 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 3 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 4 veranschaulicht schematisch einen Reaktor mit einer Stromeinspeiseanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Figuren 5A bis 5C veranschaulichen Reaktionsrohre und entsprechende Anordnungen zur Verwendung in einem Reaktor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figuren 6A und 6B veranschaulichen Reaktionsrohre und entsprechende Anordnungen zur Verwendung in einem Reaktor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figuren 7A bis 7C veranschaulichen weitere Reaktionsrohre zur Verwendung in einem Reaktor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 8 zeigt Werte thermischer und elektrischer Kenngrößen in einer Stromeinspeiseanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 9 veranschaulicht schematisch einen Reaktor mit einer Stromeinspeiseanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
In den Figuren sind einander baulich oder funktionell entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen veranschaulicht und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Werden nachfolgend Komponenten von Vorrichtungen erläutert, betreffen die entsprechenden Erläuterungen jeweils auch die damit durchgeführten Verfahren und umgekehrt. Die Figurenbeschreibung nimmt dabei wiederholt auf eine Wechselstrombeheizung Bezug. Wie erwähnt, eignet sich die vorliegende Erfindung aber in gleicher weise auch zur Verwendung von Gleichstrom zur Beheizung. Auf die obigen Erläuterungen wird dabei verwiesen.
Figur 1 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
Der hier mit 300 bezeichnete Reaktor ist zur Durchführung einer chemischen Reaktion eingerichtet. Er weist dazu einen insbesondere thermisch isolierten Reaktorbehälter 10 und ein Reaktionsrohr 20 auf, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken des Reaktionsrohrs 20, die hier nur in zwei Fällen mit 21 bezeichnet sind, jeweils zwischen einer ersten Zone 11' und einer zweiten Zone 12' in dem Reaktorbehälter 10 verlaufen. An einer Decke des Reaktorbehälters bzw. an einer Stützstruktur ist das Reaktionsrohr 20, das nachfolgend noch in Bezug auf Figur 2 näher erläutert wird, mit geeigneten Aufhängungen 13 befestigt. In einem unteren Bereich kann der Reaktorbehälter insbesondere eine nicht veranschaulichte Feuerung aufweisen. Es versteht sich, dass hier und nachfolgend jeweils mehrere Reaktionsrohre bereitgestellt sein können.
Figur 2 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist.
Die zuvor mit 11 ' und 12' bezeichneten Zonen sind hier als Bereiche 11 und 12 ausgebildet, wobei die Rohrstrecken 21 zur Beheizung der Rohrstrecken 21 in den ersten Bereichen 11 jeweils elektrisch mit den Phasenanschlüssen U, V, W) einer mehrphasigen Wechselstromquelle 50 verbindbar sind. Schalter und dergleichen sowie die spezifische Art der Anbindung sind nicht veranschaulicht.
Die Rohrstrecken 21 sind in der hier veranschaulichten Ausgestaltung der Erfindung in den zweiten Bereichen 12 mittels eines Verbindungselements 30, das einstückig mit dem einen oder den mehreren Reaktionsrohren 20 verbunden und innerhalb des Reaktorbehälters 10 angeordnet ist, elektrisch leitend miteinander verbunden. Daran kann auch ein Neutralleiter angebunden sein.
In dem hier veranschaulichten Reaktor 100 sind damit mehrere Rohrstrecken 21 eines Reaktionsrohrs 20 (wenngleich mehrere solcher Reaktionsrohre 20 bereitgestellt sein können), die nebeneinander in dem Reaktorbehälter 10 angeordnet sind. Die Rohrstrecken 21 gehen über Umkehrbögen 23 (nur teilweise bezeichnet) ineinander über und sind mit einem Einspeiseabschnitt 24 und einem Entnahmeabschnitt 25 verbunden.
Eine erste Gruppe der Umkehrbögen 23 (in der Zeichnung unten) ist nebeneinander in dem ersten Bereich 11 und eine zweite Gruppe der Umkehrbögen 23 (in der Zeichnung oben) ist nebeneinander in dem zweiten Bereich 12 angeordnet. Die Umkehrbögen 23 der zweiten Gruppe sind in dem Verbindungselement 30 ausgebildet und die Rohrstrecken 21 erstrecken sich ausgehend von dem Verbindungselement 30 in dem zweiten Bereich 12 zu dem ersten Bereich 11 .
Die Verwendung des Verbindungselements 30 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung optional, wenngleich vorteilhaft. Ausgestaltungen der Erfindung, die nachfolgend erläutert sind, betreffen dagegen insbesondere die Ausgestaltung der Mittel zur Stromeinspeisung in dem ersten Bereich 11. Diese erfolgt durch die Verwendung von Stromeinspeiseelementen 41 , die hier stark vereinfacht veranschaulicht sind und von denen nur eines bezeichnet ist.
Figur 3 veranschaulicht schematisch einen Reaktor zur Durchführung einer chemischen Reaktion gemäß Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, der insgesamt mit 200 bezeichnet ist.
In dem Reaktor 200 umfassen die hier abweichend mit 22 bezeichneten Rohrstrecken jeweils eine Rohrstrecke 22 von mehreren Reaktionsrohren 20, wobei die Rohrstrecken fluidisch 22 unverbunden nebeneinander in dem Reaktorbehälter 10 angeordnet sind und jeweils mit Einspeiseabschnitten 24 und Entnahmeabschnitten 25 verbunden sind. Zu den übrigen Elementen sei auf die obigen Erläuterungen zu den voranstehenden Figuren ausdrücklich verwiesen.
Wiederum ist die Verwendung eines Verbindungselements 30 im Rahmen der vorliegenden Erfindung optional, wenngleich vorteilhaft. Auch hier sind Stromeinspeiseelemente 41 stark vereinfacht veranschaulicht. Diese können einen manschettenartigen Bereich 49 aufweisen, der in dem ersten Bereich 11 um die Reaktionsrohre 20 bzw. die Rohrstrecken gelegt sind.
Figur 4 zeigt eine Ausschnittsdarstellung des ersten Bereichs 11 eines Reaktors 100, beispielsweise gemäß Figur 2, mit einer in dem ersten Bereich 11 angeordneten Stromeinspeiseanordnung 40 und einem daran angebundenen Reaktionsrohr 20, dessen hier abschnittsweise veranschaulichten Rohrstrecken 21 hier über einen Umkehrbogen 23 ineinander übergehen.
Der Umkehrbogen 23 ist hier in einer Kontaktpassage 42 mit einer verstärkten Wandung ausgebildet, die sich an die zwei Rohrstrecken 21 in dem ersten Bereich 11 anschließt. Eine Wand der Kontaktpassage 42, und damit des Umkehrbogens 23, ist mit dem bereits erwähnten, insgesamt mit 41 bezeichneten Stromeinspeiseelement verbunden, das, wie hier zwischen gestrichelten Linien angedeutet, einen stabförmigen Abschnitt 43 aufweist, der jeweils an einem Wanddurchtritt 15 durch eine Wand 14 des Reaktorbehälters 10 verläuft. Der Wanddurchtritt 15 ist hier übertrieben breit dargestellt. Der stabförmige Abschnitt ist in dem Wanddurchtritt 15 längsbeweglich aufgenommen und beispielsweise mit einem geeigneten Isoliermaterial 16 ausgekleidet.
An der Außenseite der Wand 14 des Reaktorbehälters 10 kann optional, aber für die vorliegende Erfindung keinesfalls wesentlich, eine Balgenanordnung 44 bereitgestellt sein, die eine gasdichte Abdichtung des Reaktorbehälters 10 gegenüber der Umgebung trotz der Längsbeweglichkeit der stabförmigen Abschnitte 43 sicherstellt.
An den stabförmigen Abschnitt 43 schließt sich im dargestellten Beispiel ein weiterer stabförmiger Abschnitt 45 an, dessen Temperatur mit zunehmendem Abstand zum Reaktorbehälter 10 zunehmend sinkt. Der weitere stabförmige Abschnitt geht in einen Stromeinspeisezapfen 46 über, an den beispielsweise zwei Stromschienen oder Litzen zum Anschluss der Phasen U,V,W bzw. von entsprechenden Stromanschlüssen einer Gleichstromquelle oder einer einphasigen Wechselstromquelle angebracht sind.
Bei Crackeröfen werden können neben den zuvor in den Figuren 1 und 2 gezeigten Reaktionsrohren 20, die üblicherweise als 6-Passagen-Coils bezeichnet werden, und die sechs gerade Rohrstrecken 21 mit zwei 180°-Krüm mern, d.h. Umkehrbögen 23, oben bzw. in dem zweiten Bereich 12 und drei 180°-K rümmern, d.h. Umkehrbögen 23, unten bzw. in dem ersten Bereich 11 (letztere mit entsprechenden Stromeinspeiseanordnungen) aufweisen, auch Varianten mit weniger Passagen verwendet werden. Zum Beispiel weisen sogenannte 2-Passagen-Coils nur zwei gerade Rohrstrecken 21 und nur einen 180°-Krümmer bzw. Umkehrbogen 23 auf. Übertragen auf eine elektrische Beheizung kann diese Variante als eine Kombination von 6-Passagen-Crackerofen (Figuren 1 und 2) und Reformerofen (Figur 3, mit Reaktionsrohren ohne Umkehrbögen 23) angesehen werden:
Die Stromeinspeisung kann jeweils an einer Stelle pro Reaktionsrohr 21 am unteren (bzw. einzigen) Umkehrbogen stattfinden. Jeweils M Reaktionsrohre können elektrisch miteinander gekoppelt sein, mit einer Phasenverschiebung um 360 M und mit einem gemeinsamen Verbindungselement 30. Dabei kann in einer ersten Alternative pro Coil- Paket bzw. für alle jeweils betrachteten Reaktionsrohre 20 ein besonders großes Verbindungselement 30 verwendet werden. In einer zweiten Alternative ist aber auch der Einsatz von zwei kleiner dimensionierten Verbindungselementen 30 möglich. Die soeben erläuterte erste Alternative ist in Figur 5B, die soeben erläuterte zweite Alternative in Figur 5C in einer Querschnittsansicht durch die Rohrstrecken 21 veranschaulicht, wobei ein entsprechendes Reaktionsrohr 20 in einer Ansicht senkrecht zu den Ansichten der Figuren 5B und 5C in Figur 5A dargestellt ist. Zur Bezeichnung der entsprechenden Elemente sei auf die Figur 1 verwiesen. Es versteht sich, dass das oder die Verbindungselemente 30 mit den dort ggf. angeordneten Umkehrbögen 23 einerseits und die anderen Umkehrbögen 23 andererseits mit den Anschlüssen an die Phasen U, V, W über die Stromeinspeiseanordnungen 40 (hier stark vereinfacht gezeigt) in unterschiedlichen Ebenen, entsprechend dem ersten und dem zweiten Bereich 11 , 12 eines Reaktors, angeordnet sind. Wiederum sei betont, dass Vorhandensein und Anordnung der Verbindungselemente 30 im Rahmen der vorliegenden Erfindung rein optional bzw. beliebig ist.
Entsprechend kann dieses Konzept auch auf Coils bzw. Reaktionsrohre 20 mit vier Passagen bzw. Rohrstrecken 21 (sogenannte 4-Passagen-Coils) angewandt werden, in diesem Fall mit einer, zwei oder vier Sternbrücken bzw. Verbindungselementen 30. Ein entsprechendes Beispiel ist in den Figuren 6A und 6B dargestellt, wobei in Figur 6B vier Verbindungselemente 3 dargestellt sind. Zur besseren Veranschaulichung sind die Umkehrbögen 23 hier gestrichelt (Umkehrbögen in dem zweiten Bereich 12 des Reaktors) und ungestrichelt (Umkehrbögen in dem ersten Bereich 11) dargestellt. Die Elemente sind der Übersichtlichkeit halber nur teilweise mit Bezugszeichen versehen.
Auf die Figuren 7A bis 7C, die weitere Reaktionsrohre zur Verwendung in einem Reaktor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung veranschaulichen, wurde bereits zuvor Bezug genommen. Die Reaktionsrohre und Rohrabschnitte sind hier nur jeweils teilweise mit Bezugszeichen versehen. Einspeise- und Entnahmeabschnitte ergeben sich durch die dargestellten Flusspfeile. Die Stromeinspeiseanordnungen 40, die insbesondere mehrfach vorhanden und in der zuvor erläuterten Weise ausgebildet sein können, sind stark vereinfacht gestrichelt angedeutet.
In Figur 8 sind Werte thermischer und elektrischer Kenngrößen in einer Stromeinspeiseanordnung 40 gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei auf der Abszisse ein Wert des zeitlich quadratisch gemittelten Potentials (rms-Wert) über die bezeichneten Elemente 46 (Stromeinspeisezapfen), 46 und 45 (stabförmige Elemente), 42 (Kontaktpassage) und 21 bzw. 22 (Rohrstrecken) und auf der Ordinate ein Wert der mittleren Temperatur von Querschnitts- bzw. Isoflächen und die entsprechenden Flächeninhalte angegeben sind. Ein Graph 101 (durchgezogene Linie) veranschaulicht die mittleren Temperaturen der Querschnittsflächen und ein Graph 102 (gestrichelte Linie) die Flächeninhalte.
Wie ersichtlich, steigen die mittleren Temperaturen 101 an und zeigen in einer Zwischenzone zwischen der Kontaktpassage 42 und den Rohrstrecken 21 bzw. 22 einen Sprung, insbesondere aufgrund einer rapiden Querschnittsabnahme. Wie mit gestrichelten bzw. strichpunktierten Bereichen 101a bzw. 102a dargestellt, kann im Bereich der Wanddurchtritte 15 eine begrenzte lokale Temperaturerhöhung und eine Querschnittserweiterung vorliegen.
Figur 9 zeigt eine Ausschnittsdarstellung des ersten Bereichs 11 eines Reaktors 200, wobei die jeweils gezeigten Elemente bereits im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert wurden. Im Unterschied zu Figur 4 weist das Reaktionsrohr 20 allerdings hier keinen Umkehrbogen auf und die Rohrstrecken 21 sind entlang einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet. Ein ungekrümmter Übergangsbereich ist mit 23a bezeichnet. Eine entsprechende Ausgestaltung kann beispielsweise anstelle einer Manschette in dem Reaktor 200 gemäß Figur 3 zum Einsatz kommen.
Der Übergangsbereich 23a ist auch hier in einer Kontaktpassage 42 mit einer verstärkten Wandung ausgebildet, die sich an die zwei Rohrstrecken 21 in dem ersten Bereich 11 anschließt. Zu weiteren Erläuterungen wird auf Figur 4 verwiesen. Der Wanddurchtritt 15 auch hier übertrieben breit dargestellt. Der stabförmige Abschnitt ist in dem Wanddurchtritt 15 auch hier längsbeweglich aufgenommen und beispielsweise mit einem geeigneten Isoliermaterial 16 ausgekleidet. Der Wanddurchtritt 15 kann abweichend zu der hier vorgenommenen Darstellung aber auch eine andere Ausgestaltung erfahren, insbesondere um weitere Bewegungsmöglichkeiten zu schaffen. Dies betrifft auch die optionale Balgenanordnung 44.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor (100, 200) zur Durchführung einer chemischen Reaktion, der einen Reaktorbehälter (10) und ein oder mehrere Reaktionsrohre (20) aufweist, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken (21 , 22) des einen oder der mehreren Reaktionsrohre (20) jeweils zwischen einem ersten Bereich (11) und einem zweiten Bereich (12) in dem Reaktorbehälter (10) verlaufen, und wobei die Rohrstrecken (21 , 22) in dem ersten Bereich (11) zur elektrischen Beheizung der Rohrstrecken (21 , 22) jeweils elektrisch mit Stromanschlüssen (U, V, W) einer Stromquelle (50) verbunden oder verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Bereich (11) des Reaktors (100, 200) Stromeinspeiseanordnungen (40) bereitgestellt sind, an die jeweils eine oder jeweils eine Gruppe der Rohrstrecken (21 , 22) elektrisch angebunden ist, und die jeweils eine oder mehrere Kontaktpassagen (42) umfassen, die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken (21 , 22) in dem ersten Bereich (11) anschließt oder anschließen, wobei eine Wand der Kontaktpassagen (42) jeweils mit einem Stromeinspeiseelement (41) verbunden ist, das einen stabförmigen Abschnitt (43) aufweist, der an einem Wanddurchtritt (15) durch eine Wand (14) des Reaktorbehälters (10) verläuft.
2. Reaktor (100, 200) nach Anspruch 1 , bei dem die Rohrstrecken (21 , 22) in einer solchen Anzahl bereitgestellt sind, dass jeweils eine oder jeweils eine Gruppe von mehreren der Rohrstrecken (21 , 22) mit jeweils einer der Stromeinspeiseanordnungen (40) verbindbar ist.
3. Reaktor (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die eine oder die mehreren Kontaktpassagen (42) in einem oder mehreren Bauteilen, das oder die an die Rohrstrecken (21 , 22) angefügt und mit diesen hochtemperaturfest stoffschlüssig verbunden ist oder sind, oder in Form eines oder jeweils eines fortlaufenden Abschnitts der Reaktionsrohre (21 , 22) ausgebildet sind.
4. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der stabförmige Abschnitt (43) jeweils eine Längserstreckung senkrecht zu der Wand des Reaktorbehälters aufweist, die wenigstens doppelt so groß wie eine größte Quererstreckung parallel zu der Wand (15) des Reaktorbehälters (10) ist.
5. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Stromeinspeiseelemente (41) jeweils einen freien Leitungsquerschnitt aufweisen, der zwischen dem jeweiligen Wanddurchtritt (15) der Stromeinspeiseelemente (41) und einem Punkt der Wand der einen oder der mehreren Kontaktpassagen (42), der dem Wanddurchtritt (15) am nächsten liegt und von den jeweiligen Stromeinspeiseelementen (41) elektrisch kontaktiert wird, an keiner Stelle weniger als 10 Quadratzentimeter beträgt.
6. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die stabförmigen Abschnitte der Stromeinspeiseelemente (41) jeweils längsbeweglich in ihren jeweiligen Wanddurchtritten (15) durch die Wand (14) des Reaktorbehälters (10) geführt sind.
7. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die stabförmigen Abschnitte (43) der Stromeinspeiseelemente (41) außerhalb des Reaktorbehälters (10) elektrisch mittels flexiblen Anschlusselementen mit den Stromanschlüssen (U, V, W) der Stromquelle (50) verbunden oder verbindbar sind.
8. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Stromeinspeiseelemente (41), Kontaktpassagen (32) und Rohrstrecken (21 , 22) aus dem gleichen Material oder aus Materialien gebildet sein, deren elektrische Leitfähigkeiten sich um nicht mehr als 50% voneinander unterscheiden.
9. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Stromeinspeiseelemente (41), Kontaktpassagen (32) und Rohrstrecken (21 , 22) aus einer Chrom-Nickel-Stahllegierung mit 0,1 bis 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, 20 bis 50 Gew.-% Chrom, 20 bis 80 Gew.-% Nickel, 0 bis 2 Gew.-% Niob, 0 bis 3 Gew.-% Silicium, 0 bis 5 % Wolfram und 0 bis 1 Gew.-% anderer Komponenten gebildet sind, wobei die Gehalte sich jeweils zu einem Nichteisenanteil ergänzen.
10. Reaktor (100, 200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Rohrstrecken (21 , 22) insgesamt oder gruppenweise innerhalb des Reaktorbehälters (10) mittels eines oder mittels mehrerer starrer Verbindungselements (30) elektrisch leitend verbunden sind.
11. Reaktor (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das oder die Reaktionsrohre (20) einen oder mehrere Umkehrbögen (23) in dem ersten Bereich (11) des Reaktorbehälters (10) aufweisen und die Kontaktpassagen (42) in den Stromeinspeiseanordnungen (40) den einen oder die mehreren Umkehrbögen (23) in dem ersten Bereich (11) des Reaktorbehälters (10) umfassen oder bilden.
12. Reaktor (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem mehrere Reaktionsrohre (22) ohne Umkehrbögen (23) in dem ersten Bereich (11) des Reaktorbehälters (10) verlaufen und die Kontaktpassagen (42) in den Stromeinspeiseanordnungen (40) gerade Rohrabschnitte bilden.
13. Reaktor (100, 200) nach Anspruch 11 , der als Reaktor (100) zum Steamcracken ausgebildet ist, oder nach Anspruch 12, der als Reaktor (200) zur Dampfreformierung, zur Trockenreformierung oder zur katalytischen Dehydrierung von Alkanen ausgebildet ist.
14. Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion unter Verwendung eines Reaktors (100, 200), der einen Reaktorbehälter (10) und ein oder mehrere Reaktionsrohre (20) aufweist, wobei eine Anzahl von Rohrstrecken (21 , 22) des einen oder der mehreren Reaktionsrohre (20) jeweils zwischen einem ersten Bereich (11) und einem zweiten Bereich (12) in dem Reaktorbehälter (10) verlaufen, und wobei die Rohrstrecken (21 , 22) in dem ersten Bereich (11) zur Beheizung der Rohrstrecken (21 , 22) jeweils elektrisch mit Stromanschlüssen (U, V, W) einer Stromquelle (50) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktor (100, 200) verwendet wird, bei dem in dem ersten Bereich (11) des Reaktors (100, 200) Stromeinspeiseanordnungen (40) bereitgestellt sind, an die jeweils eine oder jeweils eine Gruppe der Rohrstrecken (21 , 22) elektrisch angebunden ist, und die jeweils eine oder mehrere Kontaktpassagen (42) umfassen, die sich an jeweils zumindest eine der Rohrstrecken (21 , 22) in dem ersten Bereich (11) anschließt oder anschließen, wobei eine Wand der Kontaktpassagen (42) jeweils mit einem Stromeinspeiseelement (41) verbunden ist, das einen stabförmigen Abschnitt (43) aufweist, der an einem Wanddurchtritt (15) durch eine Wand (14) des Reaktorbehälters (10) verläuft.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird.
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